[论文解读] Molecular dynamics simulation of melting of finite and inifinite size graphene

Lian Ming Huei, Tiem Leong Yoon+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 13, 2016

Graphene research and applications参考文献 24被引用 6

一句话总结

本研究使用LAMMPS中的AIREBO势能进行分子动力学模拟，通过三种独立方法估算自由悬浮无限石墨烯的熔融温度：从有限石墨烯片的外推、不同半径的无限单壁碳纳米管（SWCNTs）的熔融行为，以及周期性超原胞模拟。最一致的结果来自两种独立方法的支持，即无限石墨烯的熔融温度为5302 K ± 36 K，而有限尺寸外推法得到的值为5800 K ± 22 K，表明有限尺寸外推法存在边缘效应和收敛性限制。

ABSTRACT

We investigate the melting phenomena of pristine, free-standing infinite and finite size graphene sheets via molecular dynamics simulation using AIREBO potential as implemented in the LAMMPS package. In our simulations, the temperature of the systems under investigation are systematically heated up using two independent heating protocols so that the resultant melting temperatures from both schemes can be checked against each other for consistency. The melting temperature of infinite graphene sheet is obtained by following three independent computational experiments. In the first experiment, we simulate the melting of various finite size graphenes, and then determine the melting temperature of infinite graphene sheet as the temperature at which the finite graphenes asymptotically grow in size. In the second experiment, we simulate the melting of infinite single-wall carbon-nanotubes (SWCNTs) with different radius, and then determine the melting temperature of infinite graphene sheet as the temperature at which the radius of SWCNTs asymptotically grows in size. In the third experiment, we heat up an infinite graphene that is formed by constructing a rectangular supercell which is subjected to periodic boundary condition at it sides. Melting temperature for infinite graphene obtained based on the first approach yields $\sim$ 5799 K $\pm$ 22 K. The second approach yield $\sim$5302 K $\pm$ 36 K, whereas $\sim$5355 $\pm$ 140 K from the third. There is an apparent disparity between the results from the first experiment and that of the second and third experiments due to differences in the technical details in these MD simulations. We cautiously conclude that, based on the consistency of the data of the second and third experiments, that a free-standing infinite graphene sheet melts at the temperature of 5302 K $\pm$ 36 K, using AIREBO forcefield.

研究动机与目标

• 确定自由悬浮无限石墨烯的熔融温度，由于热不稳定性与基底效应，该值在实验上无法直接测量。
• 解决先前原子尺度模拟中报告的石墨烯熔融温度不一致的问题，其差异源于不同的判据与模拟协议。
• 评估有限尺寸效应与边缘原子对分子动力学模拟中熔融温度估算的影响。
• 通过使用相同力场（AIREBO）的多种独立模拟方法，验证无限石墨烯的熔融温度。
• 量化不同模拟设置下熔融温度估算的不确定性与收敛行为。

提出的方法

• 使用LAMMPS软件包中的AIREBO势能进行分子动力学模拟，以模拟有限尺寸与无限尺寸的纯净、自由悬浮石墨烯片。
• 应用两种加热协议——直接加热与长时间加热——以确保熔融温度判定的一致性。
• 从有限石墨烯片（最多约5000个原子）的熔融温度外推，估算无限尺寸极限，假设其具有渐近收敛性。
• 模拟不同半径的无限单壁碳纳米管（SWCNTs），以估算当半径→∞时无限石墨烯的熔融温度。
• 通过不同尺寸的矩形超原胞构建无限石墨烯，利用周期性边界条件评估尺寸收敛性与稳定性。
• 采用多种熔融检测标准：径向分布函数变化、均方位移、原子构型的视觉检查，以及热容曲线。

实验结果

研究问题

• RQ1 在缺乏直接实验测量的情况下，无限延伸的自由悬浮石墨烯片的熔融温度是多少？
• RQ2 有限尺寸效应与边缘原子如何影响原子尺度模拟中石墨烯的熔融温度？
• RQ3 为何不同模拟方法对无限石墨烯的熔融温度估算结果存在差异？哪种方法最可靠？
• RQ4 当通过尺寸逐渐增大的周期性超原胞模拟时，无限石墨烯的熔融温度在多大程度上实现收敛？
• RQ5 是否可以通过半径逐渐增大的SWCNT极限一致估算出无限石墨烯的熔融温度？

主要发现

• 通过有限尺寸外推法估算的无限石墨烯熔融温度为5800 K ± 22 K，但该值因边缘效应与系统尺寸有限而被视为上限。
• 通过SWCNT半径外推法估算的无限石墨烯熔融温度为5302 K ± 36 K，且在半径>1.15 nm时观察到收敛。
• 周期性超原胞方法得到的熔融温度为5355 K ± 140 K，与基于SWCNT的估算结果一致，但与有限尺寸外推法不一致。
• 有限尺寸外推法与两种周期性边界方法之间的差异表明，边缘效应与非平凡的收敛行为使得仅依靠有限系统无法准确预测无限尺寸下的熔融温度。
• AIREBO势能的C常数为7.3 meV·nm²，处于其他势能报告值的较低范围，影响了计算得到的熔融行为。
• 本研究得出结论：在AIREBO势能下，自由悬浮无限石墨烯的最可靠熔融温度估计值为5302 K ± 36 K，该结果基于两种独立方法的一致性。