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研究背景

在晶體材料中，缺陷無處不在。材料如同人一樣，因其缺陷而有趣。其中，二維材料有較高的比表面積，其物理化學性質(zhì)會受到缺陷的顯著影響。一方面，缺陷的存在通常會降低二維功能材料的電學特性，如引入散射中心并形成局域態(tài)，導致二維半導體器件出現(xiàn)載流子遷移率下降、壽命減少、噪音增大、發(fā)光效率降低、響應速度變慢等系列問題；另一方面，二維材料中的缺陷又能夠充當載流子供體、色心、催化位點以及負載納米催化劑的錨定位點等重要角色，這對于提高材料和器件的性能大有裨益。因此，研究缺陷對二維材料的影響，并通過缺陷工程實現(xiàn)二維器件的性能調(diào)控，對新材料合成和高性能器件制備都至關重要。

離子束輻照利用高能離子轟擊材料表面，改變材料的微觀結(jié)構(gòu)與物理化學性質(zhì)，被廣泛應用于微電子、光學、催化化學、核能、生物醫(yī)藥等領域。針對二維材料，離子輻照不僅能有效調(diào)控結(jié)構(gòu)與性質(zhì)，還能為研究材料在極端惡劣環(huán)境中的服役性能提供有力手段。二維材料的輻照實驗通常成本高、操作難度大，極大地阻礙了該方向的發(fā)展。隨著計算方法的不斷進步和超算的快速發(fā)展，計算模擬在材料的設計與研發(fā)中發(fā)揮著越來越重要的作用。然而，二維材料的輻照計算模擬面臨諸多挑戰(zhàn)：首先，由于計算成本高昂，非絕熱Ehrenfest 動力學、從頭算分子動力學和經(jīng)典分子動力學等模擬方法難以實現(xiàn)大尺寸、高通量和高入射能量的輻照模擬；其次，現(xiàn)有的蒙特卡羅軟件（如SRIM、MARLOWE等）將靶材料看作具有均勻密度的非晶基質(zhì)，在原子層面缺乏對散射過程的詳盡描述，或僅考慮簡單的三維晶體，不適用于二維材料上的離子輻照。因此，開發(fā)一種精準、高效且成本效益良好的方法來描述離子輻照過程并模擬二維材料的輻照響應，對材料改性及抗輻照材料設計都極為關鍵。

成果簡介

近日，北京航空航天大學周苗教授團隊在研發(fā)模擬二維材料輻照效應的自主知識產(chǎn)權(quán)軟件方面取得重要進展，相關成果以“I2DM: A Monte Carlo framework for ion irradiation on two-dimensional materials”為題在物理數(shù)學領域的國際頂級期刊《Computer Physics Communications》上發(fā)表，并獲國家計算機軟件著作權(quán)。該成果得到了北京航空航天大學十大科學問題、國家重點研發(fā)計劃重點專項、國家自然科學基金等項目的支持。北航物理學院博士生李天昭為第一作者，周苗教授為通訊作者。

圖1 論文與軟件著作權(quán)

圖文解讀

在該項研究中，周苗教授所帶領的團隊成功研發(fā)了國際首套針對二維材料輻照效應的計算模擬軟件平臺I2DM（Ion Irradiation on 2D Matter）。此平臺描述了輻照離子與二維靶材料之間的相互作用，并能夠模擬二維系統(tǒng)內(nèi)部缺陷的產(chǎn)生與演化行為。基于二元碰撞模型，團隊創(chuàng)新性地引入了同時碰撞修正機制和缺陷重組策略，有效地考慮了低能輻照與結(jié)構(gòu)弛豫。在模擬的實際操作流程中，用戶能夠靈活調(diào)控各類輸入?yún)?shù)，如入射離子種類、能量、劑量、帶電荷、入射角度等，進而構(gòu)建出靶材料的晶體結(jié)構(gòu)及離子發(fā)射源（如圖2）。I2DM程序運行時執(zhí)行輻照過程中的初級碰撞與級聯(lián)碰撞，在每一輪輻照結(jié)束之后，自動掃描并對體系內(nèi)的缺陷予以重組整合，最后為用戶呈遞詳盡的輻照形貌信息以及缺陷統(tǒng)計數(shù)據(jù)。

圖2 I2DM二維材料離子輻照模型

研究團隊通過對石墨烯、六方氮化硼（h-BN）和二硫化鉬（MoS₂）等典型二維材料的輻照行為的系統(tǒng)性研究（圖3- 5），發(fā)現(xiàn)I2DM所得到的缺陷結(jié)果與實驗測量數(shù)據(jù)及分子動力學結(jié)果呈現(xiàn)出高度的一致性。與國際上通用的SRIM模擬軟件相比，I2DM充分考慮了材料的原子級晶體結(jié)構(gòu)，進而能夠針對二維材料的輻照過程實施精準且具有針對性的模擬，這對于深入理解不同二維材料輻照缺陷的產(chǎn)生機制具有重要意義。

圖3 石墨烯離子輻照的I2DM結(jié)果與分子動力學結(jié)果對比

圖4 h-BN離子輻照的I2DM結(jié)果與分子動力學結(jié)果對比

圖5 MoS₂離子輻照的I2DM結(jié)果與分子動力學結(jié)果對比

該團隊開發(fā)的I2DM具有高保真度、高計算效率和廣泛的適用性，可擴展到不同維度的材料系統(tǒng)，不僅可以揭示二維系統(tǒng)離子輻照響應的微觀機制，還能為新材料的設計和優(yōu)化（如離子注入、半導體摻雜、單光子發(fā)射、磁性調(diào)控、單原子催化、核材料等）提供新思路。

課題組簡介

北京航空航天大學周苗教授團隊長期從事凝聚態(tài)物理、新型量子物態(tài)、功能材料/核材料表/界面的多尺度理論計算與實驗研究。團隊負責人周苗，教授、博士生導師，國家級人才計劃，國家重點研發(fā)計劃首席科學家，主持國家重點研發(fā)計劃重點專項、國防科工委挑戰(zhàn)計劃、國家自然科學基金面上項目、國家級人才計劃、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(fā)表Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.、Phys. Rev. Lett.、Nano Lett.、Adv. Mater.等論文100余篇，他引6000余次，擔任科技部、教育部、國家自然科學基金、地區(qū)基金、大型創(chuàng)新企業(yè)基金的科研、人才項目評委。研究團隊包括教授、副教授、實驗師、博士后，以及碩、博士研究生等30余人。

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北航周苗教授團隊：首套模擬二維材料輻照效應的軟件平臺

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