[发明专利]一种测定单层二硫化钼弯曲刚度的分子动力学方法

说明书

本发明提供了一种测定单层二硫化钼弯曲刚度的分子动力学方法，属于计算二维纳米材料技术领域。首先建立所需尺寸的单层二硫化钼分子的平板结构模型，然后通过坐标映射的方法，将该尺寸的平板结构映射成不同曲率的管状结构模型，然后对其施加环向约束，以保证其构型约束在映射后固有的曲率下，通过分子动力学模拟统计出该模型在不同曲率下的应变能密度，并做出应变能密度与曲率平方曲线图，取其曲率小于0.1nm^‑1的小变形区域拟合得到弯曲刚度。通过计算不同特征尺寸在不同边界进行弯曲的几组模型，结果展示单层二硫化钼沿不同边界进行弯曲其弯曲刚度变化趋势不同的边界效应，以及随着特征尺寸的增加，其弯曲刚度逐渐趋于一致的尺寸效应。

技术领域

本发明属于计算二维纳米材料技术领域，涉及一种运用分子动力学模拟测定单层二硫化钼弯曲刚度的数值方法。

背景技术

所谓一代材料，一代装备。材料科学的发展是现代科学发展的基础与驱动力，具有极为重要的意义。碳纳米管和石墨烯作为革命性的超级材料，以其优异的力学性能等在生物医药，航天航空等领域应用广泛。但其由于缺乏相应的带隙结构，这限制它们在集成电路等器件中的应用。单层二硫化钼(MoS₂)以其特殊的带隙结构以及半导体特性，在集成电路和光电器件的应用存在巨大的潜力。而装备和材料的安全服役与其力学性能和变形行为密切相关。

其中，有效的测定单层二硫化钼的弯曲性能对其在二维纳米柔性器件设计与应用起到关键作用，并且当前针对单层二硫化钼的弯曲性能的研究较少，因此对其弯曲力学性质的研究尤为重要。此外，对于纳米尺度材料而言，其由于边界效应以及尺寸效应等而导致其表现出不同于宏观材料性能的特性，同样很大程度上影响着材料的设计与制备。并且大量资料显示，单层二硫化钼在其扶手椅型和锯齿型边界上的性质具有差异(Nanotechnology,2015,26(18):185705)，因此对单层二硫化钼边界效应与尺寸效应的探究亦尤为重要。

当前，研究纳米材料的方法包括实验方法，量子力学方法，分子力学方法以及分子动力学方法。实验方法由于实验设备的限制，且操作复杂，因此在纳米尺度下进行试验尚存在极大的挑战。基于量子力学的计算方法，同样受到尺度的限制，其可计算的分子数目有限，对于大分子等体系难以计算。分子动力学模拟作为一种有效研究“微观世界”的手段与方法，得到了广泛的应用。基于上述研究背景和方法，本发明基于分子动力学方法有效测定了单层二硫化的弯曲刚度，并且计算结果显示出了单层二硫化钼分子弯曲性质的边界效应与尺寸效应，沿不同边界进行弯曲其弯曲刚度不同，并且随着特征尺寸的增加，其弯曲刚度逐渐趋于一致。

发明内容

本发明提供一种基于分子动力学模拟测定单层二硫化钼弯曲性质的方法，可以有效准确的测定其弯曲刚度。此外本发明方法计算结果展示了单层二硫化钼弯曲性质的边界效应与尺寸效应，这为在微纳尺度下，设计电子元器件提供了重要的理论参考。

本发明的技术方案：

一种测定单层二硫化钼弯曲刚度的分子动力学方法，步骤如下：

(1)单层二硫化钼是由三层原子构成的类三明治结构的板状分子模型，其上下两层为硫(S)原子层，中间为钼(Mo)原子层；依其边界特征将平板分子模型分为扶手椅型边界和锯齿型边界；首先建立所需尺寸的单层二硫化钼(MoS₂)平板分子模型，然后通过坐标映射方法(坐标转换的数学方法)，将所建立的单层二硫化钼平板分子模型映射成5种不同曲率的管状结构模型；根据单层二硫化钼平板分子模型的尺寸分为大尺寸平板分子模型和小尺寸平板分子模型，大尺寸平板分子模型为弯曲边的尺寸为30nm-50nm的平板分子模型，分别映射成为90、180、270、360度的管状结构；小尺寸平板分子模型为弯曲边的尺寸为5nm-25nm的平板分子模型，分别映射成15、30、45、60度管状结构；通过分子动力学方法分别统计出不同尺寸平板分子模型以及对应的5种不同曲率下管状结构分子模型的总势能，并计算出同一尺寸下管状模型与平板模型之间的势能差；