ХИМИЯ ВЫСОКИХ ЭНЕРГИЙ, 2014, том 48, № 2, с. 142-147
НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ И МАТЕРИАЛЫ
УДК 544.552.11
МОЛЕКУЛЯРНО-ДИНАМИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ УДАЛЕНИЯ МЕДИ С ГРАФЕНА БОМБАРДИРОВКОЙ КЛАСТЕРАМИ АРГОНА
© 2014 г. А. Е. Галашев, А. А. Галашева
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт промышленной экологии Уральского отделения РАН 620990, Екатеринбург, ул. Софьи Ковалевской, 20 Е-таП: galashev@ecko.uran.ru Поступила в редакцию 02.09.2013 г. В окончательном виде 09.10.2013 г.
Решается задача установления неразрушающего метода очистки графена от осажденного металла. Бомбардировка аргоновыми кластерами графена с предварительно осажденной на него пленкой меди выполнена в рамках молекулярно-динамической модели. С помощью потока кластеров с энергией 30 эВ, направленного параллельно плоскости графенового листа, произведена полная очистка графена от меди. Определяются подвижности атомов Си и С, распределение наиболее критичного к ударам кластеров напряжения в плоскости графена и шероховатость поверхности графенового листа в ходе моделируемого процесса.
БО1: 10.7868/80023119714020033
Эффективное удаление опасных тяжелых металлов, в том числе меди, из окружающей среды является важной задачей, так как в большинстве такие металлы высоко токсичны. Существует несколько доступных методов удаления тяжелых металлов из воды и воздуха. К ним относятся, например, метод химического выделения осадков, мембранная фильтрация, ионный обмен, адсорбция и электрохимические технологии. Среди этих способов адсорбция — один из наиболее перспективных и широко используемых методов благодаря своей простоте и низкой стоимости. Адсорбция на графене может быть использована для от-фильтровывания многих вредных невидимых остатков органических и неорганических материалов, включая тяжелые металлы. Намагниченные углеродные трубки уже испытывались для излечения меди из воды [1]. Синтез материалов, содержащих графен и имеющих чрезвычайно высокую адсорбционную способность, а также их применение для удаления загрязнений окружающей среды обсуждается в [2]. Графен, как адсорбирующий материал, эффективен только в случае его многократного использования. В связи с этим возникает вопрос очистки графена от осажденных на него материалов, среди которых медь представляет значительный практический интерес. Бомбардировка ионным пучком один из наиболее простых и эффективных методов очистки графена. Однако важно правильно подобрать энергию бомбардируемых ионов, чтобы не повредить фильтр.
В работе [3] было выполнено молекулярно-ди-намическое (МД) моделирование плазменного
взаимодействия на поверхности графита, используя модифицированный потенциал Бренера [4]. Показано, что при энергии падающего пучка 5 эВ поверхность графита абсорбировала большинство атомов водорода, в то время как при энергии пучка 15 эВ почти все атомы водорода отражались от поверхности. Вертикальная бомбардировка кластерами Аг10 с кинетической энергией Ек < 30 эВ, выполненная в МД-модели [5], не приводила к разрыву листа графена в серии из 100 испытаний. Графен разрывался, когда Ек = 40 эВ.
Цель настоящей работы — изучить удаление пленки меди с графена путем облучения мишени низкоэнергетическим кластерным пучком аргона, параллельным плоскости графена.
МЕТОДИКА КОМПЬЮТЕРНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА
Межатомные взаимодействия в графене представлялись модифицированным многочастичным потенциалом Терсоффа [6]. Было увеличено до 0.23 нм расстояние ковалентного связывания и включено дополнительное слабое притяжение при г > 0.23 нм, задаваемое потенциалом Леннар-да—Джонса с параметрами [7]. Для устранения результирующего вращательного момента в каждом узле графенового листа исключалась вращательная компонента силы, создаваемой атомами смежных узлов. Аналитическая форма локального вращательного потенциала взаимодействия дана в [7].
Для моделирования атомных взаимодействий в пленке меди использовался многочастичный
потенциал Саттэна-Чена [8]. Взаимодействие медь-углерод описывалось потенциалом Морзе [9]. В кластере Лг13 атомы взаимодействовали через потенциал Леннарда—Джонса [10]. Взаимодействие между атомами Аг и атомами мишени (Си и С) задавалось чисто отталкивательным потенциалом Мольера [11]
ф= Ц.— {о.35ехр (-0.3 -) +
+ 0.55 ехр (-1.2 -) + 0.10ехр (-6.0
(1)
где 21 и 2] — атомные номера I и ] атомов, е — элементарный электрический заряд, г — расстояние между атомами, а — длина экранирования Фирсо-ва [12].
а = 0.885а0 (¿12 + 2)~2/3.
(2)
Здесь а0 — радиус Бора. Мы пренебрегаем слабым притяжением между атомами Аг и Си, а также Аг и С, так как первичной целью этого исследования является передача энергии и момента количества движения, а не химическое связывание [13].
Медная пленка на графене формировалась в отдельном МД-расчете в два этапа. На первом этапе атомы Си помещались над центрами несмежных ячеек графена так, что расстояние между атомами Си и С было равно дистанции 2.243 А, вычисленной по теории функционала плотности [14]. На эту рыхлую, состоящую из 49 атомов Си пленку меди случайным образом осаждался еще 51 атом Си. Затем система, состоящая из 100 атомов Си и 406 атомов С, приводилась в равновесие в МД-расчете длительностью 1 млн временных шагов (А I = 0.2 фс).
Численное решение уравнений движения выполнялось методом Рунге—Кутта 4 порядка. Полученная таким образом мишень в дальнейшем подвергалась бомбардировке икосаэдрическими кластерами Аг13. Пять стартовых точек для размещения центров кластеров Аг13 были равномерно разнесены на одной линии, параллельной оси оу (направление "кресло", угол между нормалью к поверхности графена и направлением полета атомов Аг 9 = 90°). Эта линия была сдвинута влево (вдоль оси ох) от левой кромки графена на расстояние 1.5 нм и поднята на такую высоту (в направлении оси oz), чтобы нижний атом кластера Аг13 мог скользить по листу графена, несущему пленку меди. Кластеры Аг13 имели одинаковую начальную ориентацию, так как изменение их ориентации не оказывает существенного влияния на конечный результат. В исходной стартовой точке все атомы кластера Аг13 получали одну и ту же скорость вдоль направления оси ох. Кластеры по
очереди направлялись в сторону мишени. Время жизни (определяемое суммой времени пролета и времени взаимодействия с мишенью) каждого кластера ограничивалось 8 пс. По прошествии этого времени атомы Аг разрушившегося кластера исключались из рассмотрения, и новый кластер Аг13 начинал движение из другой начальной точки. На цикл из 5 кластерных бомбардировок затрачивалось 40 пс (в дальнейшем номер цикла будем обозначать через п). Серия бомбардировок с энергией 30 эВ состояла из 25 циклов и имела длительность 1 нс. Даже после 20 циклов на графене все еще остается 8 атомов Си, но после 25 циклов их уже нет. Теплота, выделяющаяся в системе (как в пленке металла, так и графене) в результате бомбардировки, частично рассеивалась вылетающими атомами Си и Аг, а также отводилась, с помощью используемого в модели термостата Берендсена [15]. Однако эффективное функционирование термостата наблюдалось только при полном отсутствии кластерных ударов. Применение термостата также позволяет более корректно сравнивать характеристики системы до и после кластерной бомбардировки.
Эффект кластерной бомбардировки существенно не зависит от электрического заряда кластера, так как при ударе о мишень заряд иона нейтрализуется на поверхности путем обмена зарядов. Движение электрона происходит, по крайней мере, на три порядка величины быстрее, чем движение ядра. Поэтому динамика иона аргона будет подобна динамике нейтрального атома аргона в пределах приближения Оппенгеймера [16, 17].
Коэффициент самодиффузии определялся через средний квадрат смещения атомов ^[Аг(()]]
как
Б = Б„ + Б, =
Б = Й 2Т<[Аг( )]2>'
(3)
где Г = 3 размерность пространства, Бху и Бг — горизонтальная и вертикальная компоненты коэффициента самодиффузии. Через (...) обозначено усреднение по времени.
Для расчета напряжений, возникающих в гра-фене, лист графена разбивался на элементарные
площадки. Атомные напряжения (I) на элементарной площадке с номером / для каждого из направлений х, у, z с текущим индексом J определяются путем вычисления кинетических энергий
атомов на этой площадке и проекций сил действующих на /-площадку со стороны всех других атомов
< о=к ^ б (; ^;))+¡и I ()) •
(4)
Рис. 1. Конфигурация системы "пленка меди на листе графена" при кластерной бомбардировке в момент времени 0.32 нс. Координаты представлены в ангстремах.
где к — количество атомов на /-площадке, ^ — объем, приходящийся на атом, т — масса атома,
^ — /-проекция скорости I атома, Sl — площадь /-площадки. Сжимающие напряжения при таком определении могут иметь знак "+" и "—" в соответствии с направлениями сил /¡. В этом состоит отличие микроскопического напряжения (I) от макроскопического а / < 0.
Шероховатость поверхности (или среднее арифметическое отклонение профиля) определялась как
* = i í>
- z ,
125 кластерных ударов, занимал 202 часа времени работы компьютера.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Предварительно провели моделирование вертикальной (9 = 0°) бомбардировки аналогичной мишени кластерами Аг13, выполнив по 125 кластерных ударов с энергиями 5, 20 и 30 эВ. Результатом бомбардировки с энергией 5 эВ было уплотнение пленки меди без выбитых атомов. Очищение от меди наблюдалось при энергии кластеров 20 и 30эВ (в этом случае очистка проходила быстрее), но края графена при этом были повреждены. Полагалось, что если атом Си удалялся от ближайшего соседнего атома на расстояние, пре-
вышающее 3rC
Cu—Cu (rCu—Cu
= 2.5526 А — ближайшее расстояние между атомами в кристалле меди), то он не возвращался обратно в систему. В действительности, при соударении с атомами Аг большинство атомов Си быстро улетали на расстояния, в десятки раз превышающие гСи_Си. Предпринималась также попытка бомбардировки мишени горизонтальным пучком кластеров Аг13 с энергией 10 эВ. После 125 ударов пленка меди уплотнялась и смещалась по направлению полета кластеров. Энергии кластеров было не достаточно для удаления меди с графена. В
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.