英文原題：Ion Irradiation Effects on Two-Dimensional MXene Ti₂C for Applications in Extreme Conditions: Combined Ab Initio and Monte Carlo Simulations

通訊作者：周苗?北京航空航天大學/北航杭州創新研究院（余杭）

作者：李天昭，智國翔，陳聰，張凌，翟淑偉，竇文珍，吳金格，胡瑋鵑

二維MXene材料由于其出色的物理化學性質受到了廣泛的關注，在傳感器、催化、生物等領域有廣泛的應用前景，其中比較重要的前景是在極端條件下的功能器件。在極端條件下，例如在外太空或核能系統中，由于受到高能粒子轟擊，材料表面往往產生輻照缺陷而導致器件性能下降。然而，迄今二維MXene材料的輻照響應機制仍不清楚。在實驗方面，已發表的實驗報道較少難以得出有效結論；在模擬方面，輻照模擬軟件難以對高能輻照有較好的模擬。例如：廣泛使用的輻照模擬蒙特卡洛程序SRIM將樣品設置為均勻質量的物質而忽視了微觀結構，因此不能直接用于二維材料的模擬；而分子動力學方法對高能輻照模擬失效，且對于大系統計算成本很高。因此，實現高能輻照下的二維材料的原子級模擬，對理解材料輻照行為、掌握器件性質變化非常重要。

本文提出了一種從頭算與蒙特卡洛相結合的輻照模擬方法。以結構最簡單的Ti₂C為例，研究輻照條件下材料的輻照響應與性質變化。工作首先通過從頭算分子動力學計算出Ti與C的離域位移能，分別為10.7eV和12.8eV。工作對Ti₂C進行結構分析，將整個體系的輻照碰撞過程簡化于一個不可約三角形進行（如圖1所示）。基于二元碰撞近似（binary collision approximation），設計了蒙特卡洛模擬框架和程序。

圖1. Ti₂C與入射粒子碰撞結構模型

蒙特卡洛模擬結果發現，高能粒子對二維Ti₂C的輻照損傷主要由初級碰撞與平面內的級聯碰撞引起。對于不同的入射條件，入射粒子的能量、核電荷數和質量均對輻照有重要影響。其中比較反直覺的是，入射能量越大，輻照損傷越小。有趣的是，Ti原子在輻照中會被選擇性擊飛，這對選擇性刻蝕有幫助；而輻照后的Ti₂C仍保持了較好的金屬性，表明其輻照穩定性較高。

圖2. 不同的輻照條件下的缺陷產生規律統計

本研究提出了一種二維材料輻照效應的多尺度模擬方法，對二維MXeneTi₂C材料的離子輻照效應進行了探究，揭示了其輻照效應與缺陷性質。其中的蒙特卡洛模擬部分，相較于已有的SRIM可以實現原子級建模，相比分子動力學方法有更快地計算速度。而且該方法是可以通用的，并且適用于其他二維結構。因此，本研究不僅可以對MXenes的輻照效應提供基本的見解，還可以為開發具有優異機械和熱性質的納米材料鋪平道路，以用于極端條件下的實際應用。

相關論文發表于ACS?Applied Nano Materials上，北京航空航天大學博士生李天昭為第一作者，周苗教授為通訊作者。

周苗，北京航空航天大學教授、博士生導師，國家級青年人才，國家重點研發計劃首席科學家。長期從事凝聚態物理、材料表/界面的多尺度理論計算研究。主持國家重點研發計劃、國防科工委挑戰計劃、國家自然科學基金、浙江省自然科學基金重點項目等10余項，以一作或通訊作者發表Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.、Phys. Rev. Lett.、Nano Lett.、Adv. Mater.等100余篇。擔任科技部、教育部、國家自然科學基金、地區基金、大型創新企業的科技、人才項目評委。培養優秀碩博士、本科生30余人，其中多人獲得國家獎學金、“挑戰杯”全國一等獎等榮譽和獎項。

ACS Applied Nano?Materials.?2023, ASAP

Publication Date:February 22, 2023

https://doi.org/10.1021/acsanm.2c05248

Copyright ? 2023 American Chemical Society

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