基于锯齿型graphene条带的金纳米结构

李爱华 朱湘萍 尹鑫桃



基于锯齿型graphene条带的金纳米结构

李爱华 朱湘萍 尹鑫桃

（湖南科技学院 理学院，湖南 永州 425199）

锯齿型graphene条带；金纳米结构；分子动力学模拟

1　引　言

2004年Geim和Novoselov采用机械剥离的方法首次成功制备出石墨烯片(graphene)，它是由sp2方式杂化的碳-碳键排列而成的单原子厚度的六角蜂窝晶格的二维材料。石墨烯纳米条带(GNRs)便是按照一定形状从graphene中裁剪形成的一维碳纳米材料，根据裁剪边界的形状可分为锯齿型GNRs（ZGNR）和扶手椅型GNRs（AGNR）两种类型。[1]Graphene可以与硅、金属粒子（Au、Pt、Pd、Ag等）、金属氧化物（SnO2、TiO2、MnO2等）、聚合物、碳纳米管等形成各种复合材料。这类复合物在能源材料、催化、生物传感器等方面有广泛用途。2006年Ruoff等用化学方法制备出具有优异导电性的graphene-聚合物的复合材料，引起了人们的极大关注。[2]2008年李爱华等已采用分子动力学模拟方法研究了不同温度下硅原子在GNRs边上形成新型GNRs-硅复合纳米结构的过程。[3]

Au在电子工业和尖端科学技术领域是极其重要的功能材料，但常规尺寸的Au粒子是一个催化性能较差的过渡金属，很难将它高分散地负载于载体表面并制备成分散度很高的催化剂。实验上曾利用真空沉积法在高定向石墨基底上形成了间距均匀、结构稳定的准一维Au粒子链和Au纳米线。[4]碳纳米管也曾被证实是Au纳米颗粒的理想的负载材料。[5]由于graphene具有同样奇特的电子特性，更大的比表面积，制作成本要低于碳纳米管，将ZGNR作为催化剂载体，将Au原子随机沉积在ZGNR表面形成ZGNR与Au复合材料是可行的。

2　势能模型和模拟参数

构造初始结构：(1)构建模拟原胞长度为72.55Å，ZGNR中C-C键长取1.42Å，在其y轴与z轴的正负方向均留出足够的真空层，x轴的两端使用周期性边界条件，并截断ZGNR上下边界自身碳原子的相互作用。(2)Au原子的初始状态是随机放置在模拟原胞里，Au原子与碳原子间的初始平均距离为3Å。

ZGNRn-Aum体系的生长过程采用正则系综(NVT)进行分子动力学模拟，采用5阶Gear预测矫正算法来实现体系动力学方程的数值积分，采用速度标度方法控制温度，模拟步长取1fs，截断距离取10Å。对ZGNRn-Aum体系每种结构，先在298K下做10ps的松弛，接着在298K下进行弛豫平衡模拟，模拟时间为100ps，并选取10K/ps的退火率将其退火至0K。再将模拟结果分别以100K递增至1000K升温模拟，并分别再次选取退火率为10K/ps、20K/ps、40K/ps和80K/ps退火到300K，并再做100ps弛豫平衡获得稳定的结构。

3　ZGNRn-Aum体系的模拟结果与讨论

3.1 ZGNR360-Aum (m=55，60，87，115)

ZGNR360-Aum(m=55，60，87，115)体系中不同原子数密度的Au纳米结构及其径向分布函数g(r)分别如图1中的(a)、(b)、(c)、(d)所示，模拟结构均截取其生成Au颗粒的那段结构。

3.2 ZGNR360-Aum(m= 118，135，180，300，360，586)

图2. ZGNR360-Aum(m= 118，135，180，300，360，586)的Au纳米结构。图中每种结构的(1)和(2)分别从侧面和俯视的角度所观察到的结构。

为进一步了解吸附在ZGNR表面的Au纳米结构，我们计算了ZGNR360-Aum(m= 118，135，180，300，360，586)体系中Au纳米结构的径向分布函数g(r)，分别如图3中的(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)所示，它们的第一个尖锐的孤立峰值均在0.28nm处，以后依次为第二峰值在0.395nm处，第三峰值在0.485nm处等，表现出较好的规则性。再从Au结构图上看，Au原子排列也是整齐有序的。

图3. ZGNR360-Aum(m= 118，135，180，300，360，586)中Au纳米结构的径向分布函数g(r)

3.3 ZGNR360-Aum(m= 180，300，420，586)体系先升温再退火

将ZGNR360-Aum(m= 180，300，420，586)体系退火获得的稳定结构分别升温模拟，模拟发现1000K时，吸附在条带表面的层状Au纳米结构凝聚成Au颗粒结构。尔后以10K/ps的退火率分别退火至300K，再做100ps弛豫平衡以便获得稳定的结构。计算弛豫平衡后Au结构的径向分布函数g(r)，我们发现，如图4中(a)、(b)、(c)、(d)所示，它们的第一个尖锐的孤立峰值均在0.28nm处，以后依次为第二峰值在0.395nm处，第三峰值在0.485nm处，第四峰值在0.560nm处等，形成类面心立方的Au晶体结构。由于退火速率可能影响模拟结果，我们另选取了20K/ps，40K/ps和80K/ps三种退火速率进行退火模拟，结果发现模拟情况与退火速率为10K/ps的情形一致。

图4. ZGNR360-Aum( m= 180，300，420，586)从1000K退火至300K的模拟结构及其径向分布函数g(r)

另外考虑到ZGNR的带宽影响模拟结果，我们对ZGNR720-Aum和ZGNR1080-Aum(m=55，60，87，115，118，135，180，300，360，420，586)两种体系也进行了相同过程的模拟计算。模拟结果显示，Au原子吸附到ZGNR表面形成纳米结构的规律与ZGNR360-Aum体系基本一致，为此，这两种体系的模拟结果与数据不再陈述。

4　小　结

[1]K S Novoselov,A KGeim,S V Morozov,et al.Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films[J].Science,2004, (5696):666-669.

[2]杨文彬,张丽,刘径伟,等.石墨烯复合材料的制备及应用研究进展[J].材料工程, 2015,(3):91-97.

[3]李爱华,张凯旺,孟利军,等.基于graphene条带的硅纳米结构[J].物理学报, 2008,(7):4356-4363.

[4]候士敏,陶成钢,刘虹雯,等.高定向石墨表面金纳米粒子和金纳米线的研究[J].物理学报,2001,(2):223-226.

[5]J X Zhong,G M Stocks . Morphological evolution of metal nanoparticles on surfaces of carbon nanotubes[J].Appl Phys Lett,2005,(13):133105-133107.

[6]J.Tersoff.New empirical approach for the structure and energy of covalent systems[J].Phys.Rev.B,1988,(12):6991-7000.

[7]F.Cleri,V.Rosato.Tight-binding potentials for transition metals and alloys[J].Phys.Rev,1993,(1):22-33.

[8]V.Rosato,M.Guillope,B.Legrand.Thermodynamical and structural properties of f.c.c.transition metals using a simple tight-binding model.Philosophical Magazine A,1989,(2): 321-336.

[9]W.D.Luedtke,U.Landman.Slip diffusion and Levy flights of an adsorbed gold nanocluster[J].Phys.Rev.Lett.,1999,82(19): 3835-3839.

[10]J.L.Lewis,P.Jensen,N.Combe,el at. Diffusion of gold nanoclusters on graphite[J]. Phys.Rev.B,2012,61(23):16084-16090.

（责任编校：宫彦军）

2017－01－08

2015年湖南科技学院科研项目（项目编号2015XKY013），2016年湖南科技学院科研项目（项目编号16XKY067）。

李爱华(1981－)，女，湖南永州人，讲师，硕士研究生，研究方向为低维凝聚态物理。

O552.5；0791

A

1673-2219（2017）10-0026-03