Materials Studio在生长机理研究上的应用

近年来，各大顶刊发表的材料相关工作中大部分都涉及到模拟计算，理论模拟已成为材料研究领域的重要手段，是主要的分析和证明工具。Materials Studio具有简单的用户操作界面，上手难度小，并且具有强大的建模功能。此外Materials Studio是一个完整的模拟平台，建模-计算-分析整个完整流程都可以在平台上进行。

 

材料生长机制的研究主要应用Materials Studio的DMol³模块，可以从多角度进行：

1.原子的吸附、生长的角度研究材料生长的活性位的作用；

2.原子之间相互作用的强度和电子转移的角度判断活性位的作用；

3.过渡态搜索和反应路径的角度获得材料生长过程的路径信息；

4.通过虚拟筛选的方法，研究潜在分子的结构及电子结构信息预测材料生长机制。

 

一. 吸附计算模拟

模拟单个或多个原子在表面的吸附，计算吸附能、形成能。通过对吸附能、形成能的计算，可以判断初期生长的构型、位置。 

图1 Ni（1 1 1）吸附碳链

 

图2 碳原子与生长中的纳米管反应时的结合能。

Phys. Rev. Lett. 78, 2393

 

二. 原子之间相互作用及电子转移

通过电荷转移可以分析确认生长中活性最高的位点，并且使用前线轨道理论可以解释纳米管快速生长、显示手性的原因。为纳米管的合成提供了调控思路。

图3 生长纳米管的反应路径。

J. Phys. Chem. A 2012, 116, 11709−11717

三. 能垒计算

通过搜索过渡态，计算生长路径的能垒。例如，在金属表面生长石墨烯时，添加吸附Ni原子，可以有效地降低能垒，更有利于石墨烯的生长。

图4 石墨烯生长路径。

Science 359, 1243–1246 (2018)

 

四. 催化剂的影响

催化剂的化学成分对生长纳米管等具有很重要的影响，通过模拟计算可以探究其中的原因，以及设计新的、高效的催化剂。此外，在实验之前可经过模拟计算预测催化剂的能力。

图5 非金属催化剂生长SWCNT的机理研究。

ACS Nano 2009, 3, 11, 3421–3430

 

五. 计算材料的性质

借助模拟计算，可以预测材料的DOS图、能带等电子结构，以及光学和热力学性质。能预测或调控材料的各种性质，比如预测掺杂、缺陷等对材料的影响。

图4 UV−vis光谱、能带、DOS图。

ACS Appl. Mater. Interfaces 2020, 12, 9935−9943

小结

DMol³可以从原子的吸附生长、相互作用能和电荷转移、过渡态搜索和反应路径的验证、固体材料的电子结构进行多方位描述，解释材料的生长机理，对实验提供理论依据及调整方向。

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