Сравнение потенциалов межатомного взаимодействия для моделирования дефектов в графене с помощью метода молекулярной динамики

Авторы

M.A. Rozhkov ¹ , А.Л. Колесникова ² , А.Е. Романов ³

¹ Институт перспективных систем передачи данных, Университет ИТМО, Кронверкский пр., 49, литер А, Санкт-Петербург, 197101, Россия

² Институт проблем машиноведения Российской академии наук, Санкт-Петербург, 199178, Россия

³ Тольяттинский государственный университет, Белорусская ул., д. 14, Тольятти, 445020, Россия

10.17586/2687-0568-2024-6-1-35-42

Rev. Adv. Mater. Technol., 2024, vol. 6, no. 1, pp. 35–42

Аннотация

В настоящей работе мы проверили способность классических межатомных потенциалов описывать энергетические характеристики дефектов различной размерности в кристаллах графена. Рассмотрены потенциалы реактивного эмпирического порядка связи Бреннера (REBO второго поколения, AIREBO, AIREBO-M), потенциалы Tersoff, а также потенциалы BOP и LCBOP. Данные, полученные в данной работе методом молекулярной динамики, сравнивались с литературными данными, полученными с помощью DFT. Отмечено, что при моделировании точечных и линейных дефектов наилучшее совпадение с литературными данными демонстрируют потенциалы семейства REBO и потенциал LCBOP. Для моделирования кристаллов псевдографена лучше всего подходит потенциал Tersoff B-N-C, который показывает несколько завышенные значения энергии для линейных и точечных дефектов, но наиболее точно описывает геометрию кристаллической решетки. Потенциал BOP демонстрирует неспособность правильно моделировать конфигурации дефектов с высокой плотностью восьмичленных дефектных колец. При моделировании четырехчленных углеродных дефектных колец большинство потенциалов проявляют искажения кристаллической решетки, которые не наблюдаются в расчетах DFT.

Ключевые слова

графен; молекулярная динамика; дефекты; псевдо-графены

Финансирование

Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation: 075-15-2021-1349

Ссылки

1.    E.H. Falcao, F. Wudl, Carbon allotropes: beyond graphite and diamond, Journal of Chemical Technology and Biotechnology, 2007, vol. 82, no. 6, pp. 524-531.
2.    N. Mounet, N. Marzari, First-principles determination of the structural, vibrational and thermodynamic properties of diamond, graphite, and derivatives, Physical Review B, 2005, vol. 71, no. 20, art. no. 205214.
3.    F. Banhart, J. Kotakoski, A.V. Krasheninnikov, Structural defects in graphene, ACS Nano, 2011, vol. 5, no. 1, pp. 26-41.
4.    J. Lahiri, Y. Lin, P. Bozkurt, I.I. Oleynik, M. Batzill, An extended defect in graphene as a metallic wire, Nature Nanotechnology, 2010, vol. 5, no. 5, pp. 326-329.
5.    P.V. Polyakova, J.A. Baimova, Mechanical Properties of Graphene Networks under Compression: A Molecular Dynamics Simulation.International Journal of Molecular Sciences, 2023, vol. 24, no. 7, art. no. 6691.
6.    M.A. Rozhkov, A.L. Kolesnikova, I.S. Yasnikov, A.E. Romanov, Disclination ensembles in graphene, Low Temperature Physics, 2018, vol. 44, no. 9, pp. 918-924.
7.    I.V. Lebedeva, A.S. Minkin, A.M. Popov, A.A. Knizhnik, Elastic constants of graphene: Comparison of empirical potentials and DFT calculations, Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostructures, 2019, vol. 108, pp. 326-338.
8.    LAMMPS Molecular Dynamics Simulator, Electronic resource, accessed 16.03.2024.
9.    М.А. Rozhkov, А.L. Kolesnikova, Т.S. Orlova, L.V. Zhigilei, А.Е. Romanov, Disclinated rings as structural units in MD simulation of intercrystallite boundaries in graphene, Materials Physics and Mechanics, 2016, vol. 29, no. 1, pp. 101-105.
10.    A. Stukowski, Visualization and analysis of atomistic simulation data with OVITO-the Open Visualization Tool, Modelling and Simulation in Materials Science and Engineering, 2009, vol. 18, no. 1, art. no. 015012.
11.    D.W. Brenner, O.A. Shenderova, J.A. Harrison, S.J. Stuart, B. Ni, S.B. Sinnott, A second-generation reactive empirical bond order (REBO) potential energy expression for hydrocarbons, Journal of Physics: Condensed Matter, 2002, vol. 14, no. 4, pp. 783-802.
12.    S.J. Stuart, A.B. Tutein, J.A. Harrison, A reactive potential for hydrocarbons with intermolecular interactions, The Journal of Chemical Physics, 2000, vol. 112, no. 14, pp. 6472-6486.
13.    T.C. O'Connor, J. Andzelm, M.O. Robbins, AIREBO-M: A reactive model for hydrocarbons at extreme pressures, The Journal of Chemical Physics, 2015, vol. 142, no. 2, art. no. 024903.
14.    J. Tersoff, Modeling solid-state chemistry: Interatomic potentials for multicomponent systems, Physical Review B, 1989, vol. 39, no. 8, pp. 5566-5568.
15.    P. Erhart, K. Albe, Analytical potential for atomistic simulations of silicon, carbon, and silicon carbide, Physical Review B, 2005, vol. 71, no, 3, art. no. 035211.
16.    A. Kınacı, J.B. Haskins, C. Sevik, T. Çağın, Thermal conductivity of BN-C nanostructures, Physical Review B, 2012, vol. 86, no. 11, art. no. 115410.
17.    X.W. Zhou, D.K. Ward, M.E. Foster, An analytical bond-order potential for carbon, Journal of Computational Chemistry, 2015, vol. 36, no. 23, pp. 1719-1735.
18.    J.H. Los, A. Fasolino, Intrinsic long-range bond-order potential for carbon: Performance in Monte Carlo simulations of graphitization, Physical Review B, 2003, vol. 68, no. 2, art. no. 024107.
19.    I.A. Pašti, A. Jovanović, A.S. Dobrota, S.V. Mentus, B. Johansson, N.V. Skorodumova, Atomic adsorption on graphene with a single vacancy: systematic DFT study through the periodic table of elements, Physical Chemistry Chemical Physics, 2018, vol. 20, no. 2, pp. 858-865.
20.    L. Wang, X. Zhang, H.L. Chan, F. Yan, F. Ding, Formation and healing of vacancies in graphene chemical vapor deposition (CVD) growth, Journal of the American Chemical Society, 2013, vol. 135, no. 11, pp. 4476-4482.
21.    K. Iyakutti, E. Mathan Kumar, R. Thapa, R. Rajeswarapalanichamy, V.J. Surya, Y. Kawazoe, Effect of multiple defects and substituted impurities on the band structure of graphene: a DFT study, Journal of Materials Science: Materials in Electronics, 2016, vol. 27, pp. 12669-12679.
22.    R.G. Amorim, A. Fazzio, A. Antonelli, F,D. Novaes, A.J. da Silva, Divacancies in graphene and carbon nanotubes, Nano Letters, 2007, vol. 7, no. 8, pp. 2459-2462.
23.    A.A. El-Barbary, R.H. Telling, C.P. Ewels, M.I. Heggie, P.R. Briddon, Structure and energetics of the vacancy in graphite, Physical Review B, 2003, vol. 68, no. 14, art. no. 144107.
24.    A.V. Krasheninnikov, P.O. Lehtinen, A.S. Foster, R.M. Nieminen, Bending the rules: Contrasting vacancy energetics and migration in graphite and carbon nanotubes, Chemical Physics Letters, 2006, vol. 418, no. 1-3, pp. 132-136.
25.    O.V. Yazyev, S.G. Louie, Topological defects in graphene: Dislocations and grain boundaries, Physical Review B, 2010, vol. 81, no. 19, art. no. 195420.
26.    L. Li, S. Reich, J. Robertson, Defect energies of graphite: Density-functional calculations. Physical Review B, 2005, vol. 72, no. 18, art. no. 184109.
27.    A.L. Kolesnikova, M.A. Rozhkov, I. Hussainova, T.S. Orlova, I.S. Yasnikov, L.V. Zhigilei, A.E. Romanov, Structure and energy of intercrystallite boundaries in graphene, Reviews Advanced Materials Science, 2017, vol. 52, no. 1/2, pp. 91-98.
28.    A.R. Botello-Méndez, X. Declerck, M. Terrones, H. Terrones, J.C. Charlier, One-dimensional extended lines of divacancy defects in graphene, Nanoscale, 2011, vol. 3, no. 7, pp. 2868-2872.
29.    A.W. Robertson, G.D. Lee, K. He, E. Yoon, A.I. Kirkland, J.H. Warner, The role of the bridging atom in stabilizing odd numbered graphene vacancies. Nano Letters, 2014, vol. 14, no. 7, pp. 3972-3980.
30.    A.E. Romanov, M.A. Rozhkov, A.L. Kolesnikova, Disclinations in polycrystalline graphene and pseudo-graphenes. Review, Letters on Materials, 2018, vol. 8, no. 4, pp. 384-400.
31.    N.D. Abramenko, M.A. Rozhkov, A.L. Kolesnikova, A.E. Romanov, Structure and properties of pseudo-graphenes. Review, Reviews on Advanced Materials and Technologies, 2020, vol. 2, no. 4, pp. 9-26.
32.    Z. Wang, X.F. Zhou, X. Zhang, Q. Zhu, H. Dong, M. Zhao, A.R. Oganov, Phagraphene: a low-energy graphene allotrope composed of 5-6-7 carbon rings with distorted dirac cones, Nano Letters, 2015, vol.15, no. 9, pp. 6182-6186.
33.    A.N. Enyashin, A.L. Ivanovskii, Graphene allotropes, Physica Status Solidi B, 2011, vol. 248, no. 8, pp. 1879-1883.
34.    C.P. Tang, S.J. Xiong, A graphene composed of pentagons and octagons, AIP Advances, 2012, vol. 2, no. 4, art. no. 042147.

Том 6, № 1

Страницы 35-42

Файлы

текст статьи

аннотация

XML файл

История

Поступила в редакцию: 20 Марта 2024

Принята: 27 Марта 2024

Доступна онлайн: 31 Марта 2024

© 2024 ITMO University.
This is an open access article under the terms
of the CC BY-NC 4.0 license.
Metadata is available under the terms of the CC BY 4.0 license