摘 要

在本文中，通过分子动力学（MD）模拟的方法，我们对受限在两层石墨烯纳米片间不同配比的Au-Pt纳米粒子的熔化和结晶过程进行研究。我们模拟了体系的相变过程，分析了体系的结构、总能量随温度的变化趋势、密度分布曲线及经典成核过程。结果表明：双金属纳米粒子的熔点受到金属间的配比影响而发生明显改变；在低温下（熔化前和结晶后），Au-Pt纳米粒子出现明显的层状堆积；分析每一层的结构变化可知，受限的Au-Pt纳米粒子每一层从有序-无序的相互转变是其发生相变的重要特征；另外，通过经典成核理论分析，得到了一些重要的动力学参数。

关键词：纳米粒子 石墨烯 相变 分子动力学模拟

Molecular Dynamics Simulation of Melting and Crystallization of Bimetallic Nanoparticles Confined Between Two-Layer Graphene Nanosheets

Abstract

In this work, the melting and crystallization processes of Au-Pt nanoparticles with different ratios confined between two layers of graphene nanosheets were investigated in terms of molecular dynamics (MD) simulation. We simulated the phase transition process of the system, and analyzed the structure of the system, the total energy with temperature, the density distribution curve and the nucleation process. The results demonstrate that the melting point of bimetallic nanoparticles is significantly affected by the intermetallic ratio. At low temperatures (before and after melting), Au-Pt nanoparticles exhibit significant layering stack. Analysis of the structural changes of each layer demonstrates that the structural transition from the orderly-disorder in each layer is an important feature of phase transition of the confined Au-Pt nanoparticles. In addition, based on the classical nucleation theory analysis, some important kinetic parameters are obtained.

Key words: Nanoparticles; Graphene nanosheets; Phase change; Molecular dynamics simulation

目 录

摘 要 1

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 相变 1

1.2 金属纳米粒子（金属团簇） 1

1.3 石墨烯 2

1.4 前人的研究现状 3

第二章 计算方法 6

2.1 分子动力学模拟原理 6

2.2 积分算法 6

2.3 本文的计算细节 7

第三章 结果与讨论 9

3.1体系的热力学分析 9

3.2体系的动力学分析 10

3.3体系的成核分析 12

第四章 结论 14

参考文献 15

致 谢 18

第一章 绪论

1.1 相变

相变是普遍存在的现象，在材料科学及应用、热力学、冶金工程、化学工程和气象学该类领域均有不同程度的联系到有关相变的过程。相变有关实验研究难度非常大，人们经过长时间的研究和探索依然在对相变本质了解不多，相变仍然是研究人员不断探索的方向和目标^[1]。

物质从一种相变化为另一种相的过程被称为“相变”，也称为“物态变化”。生活中的许多的物质，基本上都是以固、液、气三种凝聚形态存在的。

因为技术和科学的重要性，在长时间里晶体纳米粒子的熔化过程受到研究人员的高度关注。通常发现纳米粒子的熔点明显低于对应大块的熔点。事实上，固体表层的原子比在本体内部的原子配位少，因此表层通常相对于内部显现出更低的热稳定性。所以自由表面可以作为熔体的异相成核位点，导致在尺寸依赖性熔点以下的表面处的熔体成核，并且熔化进一步通过将表面液体皮肤传播到内部。然而，一些相关的问题融化纳米粒子仍不清楚^[2]。已经通过分子动力学（MD）模拟研究了简单单原子无定形球形纳米粒子的熔化。通过分析液体样的外观/生长进行监测熔化的原子。液态原子通过使用林德曼熔化标准。熔化现象可以描述为：在预熔化阶段，液体状原子首先发生在表面壳层进行扩散，进一步加热导致在纳米颗粒的表面形成纯粹液体表面，剩余的玻璃质基质中的原子以液体样同时发生/生长。熔化过程通过液体状构型的传播/生长进一步进行坚实的核心。液体状构造包括纯液体皮肤，液-液原子发生在液-固界面纳米粒子壳^[3]。

1.2 金属纳米粒子（金属团簇）

纳米粒子科学中研究发展的一个重要的方向是纳米材料，近些年来已在诸多科学领域受到了高度的关注,成为科学研究发展的热点话题。金属纳米粒子作为纳米材料的一个重要研究方向, 合金纳米粒子和金属纳米粒子在现代工业、国防和高技术发展中展现出重要意义。

纳米粒子材料的研发和应用的中心在于纳米粒子的制备技术，对它的要求有:粒子表层清洁;粒子状态、粒径以及粒度散布可控,粒子团聚倾向小;容易收集,有较好的热稳定性,易保存;生产效率高,产率、产量大等。控制颗粒的大小并获得较窄且均匀的粒度分布是纳米粒子制备的关键所在。颗粒度及结构控制是金属纳米粒子的制备课科研重点,当发生相变时，则还需要控制晶核产生和晶粒生长的最佳温度^[4]。

1.3 石墨烯

单层石墨烯以sp²轨道杂化的碳原子所构成的蜂窝状六角平面晶体，厚度仅仅有0.335nm, 当中C—C键键长约为0.142nm, 因而它也是当前世界上可应用的最薄的研究材料。石墨烯的碳原子之间通过键能很强的σ键来连接, 这让石墨烯拥有了良好的拉伸性能在外界拉力作用时，C—C键非常难被破环，晶格能保持相对比较良好的稳定性^[5]。

单层石墨烯的成功制备,引起了越来越多的科学家关注，从而导致越来越多实验对碳材料进行研究。石墨烯是禁带宽度几乎为零的半金属/半导体材料, 拥有特殊的电学性质, 展现出良好的电子输运性能、异常的量子霍尔效应和分数量子霍尔效应。石墨烯纳米晶体管的成功制备预兆了石墨烯将是未来纳米电子器件非常有前景的材料。因此 , 科学家的研究方向也逐渐向石墨烯的力学性质还有其相关性能的性质和实际应用转移^[6]。其电荷载体表现出巨大的内在性移动性，具有零有效质量，并且可以行进微米，而不会在室内散射温度。石墨烯可以维持目前的密度高出六个数量级铜，显示出热记录的导热性和刚度，是不可渗透的气体，并协调一致这样的冲突性质如脆性和延展性^[7]。石墨烯在应变传感器方面也有许多应用，相比于传统的硅基应变传感器，石墨烯的应变传感器的研究专注于更高的灵敏度，稳定性和重复性。预计在未来的发展中，石墨烯的应变传感器将应用到更广阔的领域。基于石墨烯的可拉伸和柔性应变传感器也可以是生物领域的“桥梁”，例如人造皮肤，临时纹身到皮肤上的电子设备等^[8]。