ACS Appl. Nano Mater. | 极端条件下MXene的离子辐照效应

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

通讯作者：周苗 北京航空航天大学/北航杭州创新研究院（余杭）

作者：李天昭，智国翔，陈聪，张凌，翟淑伟，窦文珍，吴金格，胡玮鹃

二维MXene材料由于其出色的物理化学性质受到了广泛的关注，在传感器、催化、生物等领域有广泛的应用前景，其中比较重要的前景是在极端条件下的功能器件。在极端条件下，例如在外太空或核能系统中，由于受到高能粒子轰击，材料表面往往产生辐照缺陷而导致器件性能下降。然而，迄今二维MXene材料的辐照响应机制仍不清楚。在实验方面，已发表的实验报道较少难以得出有效结论；在模拟方面，辐照模拟软件难以对高能辐照有较好的模拟。例如：广泛使用的辐照模拟蒙特卡洛程序SRIM将样品设置为均匀质量的物质而忽视了微观结构，因此不能直接用于二维材料的模拟；而分子动力学方法对高能辐照模拟失效，且对于大系统计算成本很高。因此，实现高能辐照下的二维材料的原子级模拟，对理解材料辐照行为、掌握器件性质变化非常重要。

本文提出了一种从头算与蒙特卡洛相结合的辐照模拟方法。以结构最简单的Ti₂C为例，研究辐照条件下材料的辐照响应与性质变化。工作首先通过从头算分子动力学计算出Ti与C的离域位移能，分别为10.7eV和12.8eV。工作对Ti₂C进行结构分析，将整个体系的辐照碰撞过程简化于一个不可约三角形进行（如图1所示）。基于二元碰撞近似（binary collision approximation），设计了蒙特卡洛模拟框架和程序。

图1. Ti₂C与入射粒子碰撞结构模型

蒙特卡洛模拟结果发现，高能粒子对二维Ti₂C的辐照损伤主要由初级碰撞与平面内的级联碰撞引起。对于不同的入射条件，入射粒子的能量、核电荷数和质量均对辐照有重要影响。其中比较反直觉的是，入射能量越大，辐照损伤越小。有趣的是，Ti原子在辐照中会被选择性击飞，这对选择性刻蚀有帮助；而辐照后的Ti₂C仍保持了较好的金属性，表明其辐照稳定性较高。

图2. 不同的辐照条件下的缺陷产生规律统计

本研究提出了一种二维材料辐照效应的多尺度模拟方法，对二维MXeneTi₂C材料的离子辐照效应进行了探究，揭示了其辐照效应与缺陷性质。其中的蒙特卡洛模拟部分，相较于已有的SRIM可以实现原子级建模，相比分子动力学方法有更快地计算速度。而且该方法是可以通用的，并且适用于其他二维结构。因此，本研究不仅可以对MXenes的辐照效应提供基本的见解，还可以为开发具有优异机械和热性质的纳米材料铺平道路，以用于极端条件下的实际应用。

相关论文发表于ACS Applied Nano Materials上，北京航空航天大学博士生李天昭为第一作者，周苗教授为通讯作者。

周苗，北京航空航天大学教授、博士生导师，国家级青年人才，国家重点研发计划首席科学家。长期从事凝聚态物理、材料表/界面的多尺度理论计算研究。主持国家重点研发计划、国防科工委挑战计划、国家自然科学基金、浙江省自然科学基金重点项目等10余项，以一作或通讯作者发表Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.、Phys. Rev. Lett.、Nano Lett.、Adv. Mater.等100余篇。担任科技部、教育部、国家自然科学基金、地区基金、大型创新企业的科技、人才项目评委。培养优秀硕博士、本科生30余人，其中多人获得国家奖学金、“挑战杯”全国一等奖等荣誉和奖项。

ACS Applied Nano Materials. 2023, ASAP

Publication Date:February 22, 2023

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

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