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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(xué)性質(zhì)會(huì)受到缺陷的顯著影響。一方面，缺陷的存在通常會(huì)降低二維功能材料的電學(xué)特性，如引入散射中心并形成局域態(tài)，導(dǎo)致二維半導(dǎo)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(yīng)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(dāng)載流子供體、色心、催化位點(diǎn)以及負(fù)載納米催化劑的錨定位點(diǎn)等重要角色，這對(duì)于提高材料和器件的性能大有裨益。因此，研究缺陷對(duì)二維材料的影響，并通過缺陷工程實(shí)現(xiàn)二維器件的性能調(diào)控，對(duì)新材料合成和高性能器件制備都至關(guān)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(xué)性質(zhì)，被廣泛應(yīng)用于微電子、光學(xué)、催化化學(xué)、核能、生物醫(yī)藥等領(lǐng)域。針對(duì)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(shí)驗(yàn)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(jì)算方法的不斷進(jìn)步和超算的快速發(fā)展，計(jì)算模擬在材料的設(shè)計(jì)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(jì)算模擬面臨諸多挑戰(zhàn)：首先，由于計(jì)算成本高昂，非絕熱Ehrenfest 動(dòng)力學(xué)、從頭算分子動(dòng)力學(xué)和經(jīng)典分子動(dòng)力學(xué)等模擬方法難以實(shí)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(duì)散射過程的詳盡描述，或僅考慮簡(jiǎn)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(zhǔn)、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(yīng)，對(duì)材料改性及抗輻照材料設(shè)計(jì)都極為關(guān)鍵。

成果簡(jiǎn)介

近日，北京航空航天大學(xué)周苗教授團(tuán)隊(duì)在研發(fā)模擬二維材料輻照效應(yīng)的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)軟件方面取得重要進(jìn)展，相關(guān)成果以“I2DM: A Monte Carlo framework for ion irradiation on two-dimensional materials”為題在物理數(shù)學(xué)領(lǐng)域的國(guó)際頂級(jí)期刊《Computer Physics Communications》上發(fā)表，并獲國(guó)家計(jì)算機(jī)軟件著作權(quán)。該成果得到了北京航空航天大學(xué)十大科學(xué)問題、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃重點(diǎn)專項(xiàng)、國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的支持。北航物理學(xué)院博士生李天昭為第一作者，周苗教授為通訊作者。

北航周苗教授團(tuán)隊(duì)：首套模擬二維材料輻照效應(yīng)的軟件平臺(tái)

圖1 論文與軟件著作權(quán)

圖文解讀

在該項(xiàng)研究中，周苗教授所帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)成功研發(fā)了國(guó)際首套針對(duì)二維材料輻照效應(yīng)的計(jì)算模擬軟件平臺(tái)I2DM（Ion Irradiation on 2D Matter）。此平臺(tái)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?；诙鲎材Ｐ停瑘F(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地引入了同時(shí)碰撞修正機(jī)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(shí)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(jìn)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(yùn)行時(shí)執(zhí)行輻照過程中的初級(jí)碰撞與級(jí)聯(lián)碰撞，在每一輪輻照結(jié)束之后，自動(dòng)掃描并對(duì)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(jì)數(shù)據(jù)。

圖2 I2DM二維材料離子輻照模型

研究團(tuán)隊(duì)通過對(duì)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(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)及分子動(dòng)力學(xué)結(jié)果呈現(xiàn)出高度的一致性。與國(guó)際上通用的SRIM模擬軟件相比，I2DM充分考慮了材料的原子級(jí)晶體結(jié)構(gòu)，進(jìn)而能夠針對(duì)二維材料的輻照過程實(shí)施精準(zhǔn)且具有針對(duì)性的模擬，這對(duì)于深入理解不同二維材料輻照缺陷的產(chǎn)生機(jī)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(dòng)力學(xué)結(jié)果對(duì)比

圖4 h-BN離子輻照的I2DM結(jié)果與分子動(dòng)力學(xué)結(jié)果對(duì)比

圖5 MoS₂離子輻照的I2DM結(jié)果與分子動(dòng)力學(xué)結(jié)果對(duì)比

該團(tuán)隊(duì)開發(fā)的I2DM具有高保真度、高計(jì)算效率和廣泛的適用性，可擴(kuò)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(yīng)的微觀機(jī)制，還能為新材料的設(shè)計(jì)和優(yōu)化（如離子注入、半導(dǎo)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(jiǎn)介

北京航空航天大學(xué)周苗教授團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)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(jì)算與實(shí)驗(yàn)研究。團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人周苗，教授、博士生導(dǎo)師，國(guó)家級(jí)人才計(jì)劃，國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃首席科學(xué)家，主持國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃重點(diǎn)專項(xiàng)、國(guó)防科工委挑戰(zhàn)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、國(guó)家級(jí)人才計(jì)劃、浙江省自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目等10余項(xiàng)，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(dān)任科技部、教育部、國(guó)家自然科學(xué)基金、地區(qū)基金、大型創(chuàng)新企業(yè)基金的科研、人才項(xiàng)目評(píng)委。研究團(tuán)隊(duì)包括教授、副教授、實(shí)驗(yàn)師、博士后，以及碩、博士研究生等30余人。

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