用LAMMPS模拟多孔硅：碳功能化如何影响硅碳结构？

多孔硅（PSm）因其高比表面积、独特的光电性能和可调的孔道结构，在诸多领域具有广泛的应用潜力。然而，如何通过功能化（如引入碳原子）进一步优化其性能呢？

本研究通过结合分子动力学模拟和实验方法，深入探讨了碳原子在多孔硅基体中的浸润和分布行为，为开发新型碳-硅复合材料提供了重要见解。

分子动力学模拟方法

分子动力学（MD）模拟是一种基于经典力学的计算方法，通过求解牛顿运动方程，追踪系统中每个原子的位置和速度，揭示材料在原子尺度上的动态行为。MD 模拟广泛应用于材料科学，用于研究原子间相互作用、材料结构演化和性能优化。

本研究使用 LAMMPS软件进行 MD 模拟，采用 Tersoff 势能函数描述硅-碳（Si-C）系统的原子间相互作用。Tersoff 势是一种经验势函数，适用于共价体系，能够准确模拟 Si-C 体系中的键序和方向性键合。

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模拟模型与参数

研究团队构建了一个具有随机分布大孔的多孔硅模型，以模拟实际实验中多孔硅的复杂孔道结构。模型的具体参数如下：

• 尺寸：54.31×54.31×54.31 Å，包含 4336 个硅原子。

• 孔隙率：模型从底部到顶部分为三个区域，孔隙率分别为 70%、75% 和 80%，模拟了真实多孔硅样品中孔隙率的梯度变化。

• 碳原子注入：通过三个不同的输入脚本，分别注入 500、1000 和 2000 个碳原子，每隔 10 个时间步逐个注入。每次模拟运行 80,000 个时间步，以确保系统充分演化。

• 可视化工具：使用 OVITO（Open Visualization Tool）对模拟结果进行可视化，并计算沉积的碳原子数量。

模拟过程

模型构建：基于硅的金刚石结构，建立具有随机分布大孔的多孔硅模型。孔隙率的梯度设计（70%、75%、80%）反映了真实多孔硅的结构复杂性。

碳原子功能化：通过 LAMMPS 输入脚本声明碳原子的注入数量，模拟碳原子在多孔硅基体中的扩散和沉积行为。

结果分析：通过 OVITO 分析碳原子的沉积效率、分布模式以及与硅原子的相互作用，形成由碳原子包围的硅团簇，构成碳-硅复合材料。

模拟结果

• 碳原子沉积效率：研究量化了碳原子在多孔硅基体中的沉积效率，例如“每单位孔密度沉积的碳原子百分比”或“每层孔道沉积的碳原子百分比”。这些指标反映了碳原子在不同孔隙率区域的分布规律。

• 结构变化：模拟揭示了碳原子浸润过程中多孔硅基体的结构变化，包括硅碳化合物（SiC）相的形成。SiC 相的出现可能增强了材料的机械强度或电学性能。

• 原子尺度行为：模拟提供了碳原子的扩散路径、结合位点以及碳-硅复合材料稳定性的原子尺度细节。例如，碳原子可能优先沉积在孔道壁上或特定晶体取向上。

图注解读

• 图1：模拟的 PSm 形态
  图1 使用 OVITO 可视化了多孔硅模型的三维结构，展示了底部（深色网格，70% 孔隙率）、中部（中等蓝色网格，75% 孔隙率）和上部（浅蓝色网格，80% 孔隙率）三个区域。这种梯度孔隙率设计模拟了真实多孔硅样品中孔隙率随深度的变化，为研究碳原子在不同孔隙率区域的沉积行为提供了基础。图1 还展示了硅的金刚石结构，表明模型处于稳定状态，适合与其他原子（如碳原子）相互作用。

• 图2：功能化前后 PSm 图
  图2 展示了功能化前后的多孔硅表面形态。功能化前，模型显示清晰的孔道结构，孔隙分布均匀；功能化后，碳原子沉积在孔道表面和内部，形成碳-硅复合材料。通过 OVITO 计算的沉积碳原子数量表明，部分注入的碳原子可能未沉积，反映了功能化过程的效率。

• 图3：C-C 和 C-Si 相互作用
  图3 展示了碳原子与多孔硅之间的相互作用，具体表现为 C-C 和 C-Si 原子之间的可能相互作用半径。这些半径并非化学键，而是表示原子间的距离分布，表明碳原子成功嵌入多孔硅结构并形成稳定的碳-硅复合物。例如，C-Si 键的典型长度约为 1.88 Å，C-C 键（类似石墨烯或石墨结构）约为 1.42-1.54 Å。图3 提供了理论证据，证实了实验中观察到的碳原子在多孔硅内部及其边界结构中的分布。

实验验证

原子力显微镜（AFM）：用于观察功能化后多孔硅的表面形貌，确认孔道未被堵塞，保持了多孔结构的完整性。

X 射线衍射（XRD）：分析多孔硅在碳功能化前后的晶体结构变化，验证了碳-硅复合材料的形成。

能谱分析（EDS）：结合扫描电子显微镜（SEM），对 PSm 表面进行元素映射，定量分析碳和硅的含量，确认碳原子的成功嵌入。

实验结果

• 孔道结构：AFM 图像（图5）显示，功能化后的多孔硅孔道未被堵塞，表明碳功能化过程未破坏多孔硅的结构特性。样品的平均粗糙度约为 40 μm，平均孔径约为 2 μm，表明表面形态在功能化后略有平滑。

• 碳-硅复合材料：XRD 模式（图4）显示了功能化前后多孔硅的结构变化，特别是 SiC 相的出现。EDS 分析（图6）进一步确认了碳原子的存在及其均匀分布。

• 结构验证：实验中观察到的碳-硅复合材料结构与模拟中预测的由碳原子包围的硅团簇一致，表明模拟模型的准确性。

图注解读

• 图4：XRD 图谱
  图4 展示了多孔硅的 XRD 图谱，其中 ~69° 处的峰为多孔硅的特征峰。28.3°、47.3° 和 56.1° 处的峰分别对应于硅的 (111)、(220) 和 (311) 晶面。这些峰的存在及其展宽表明碳-硅复合材料的形成。峰展宽可能由于纳米晶粒或无定形相的存在，表明功能化引入了新的结构特征，可能包括 SiC 或无定形碳相。

• 图5：AFM 形貌图
  图5 展示了功能化后 PSm（GO/PSm 样品）的 AFM 图像，覆盖 10×10 μm 的区域。图像显示多孔结构周围的表面具有约 40 μm 的平均粗糙度，平均孔径约为 2 μm。AFM 图像表明，功能化过程未堵塞孔道，但表面褶皱度降低，表明碳沉积对表面形态有一定平滑作用。

• 图6：SEM 和 EDS 面扫描
  图6 展示了 PSm 表面的 SEM 图像和 EDS 元素映射。SEM 图像显示样品制备过程中出现的开裂，归因于横向切割。多孔区位于图像中间的暗线上方。EDS 映射显示碳原子均匀分布在多孔硅中，确认了碳功能化的成功，而功能化前的 PSm 样品中未检测到碳原子。

模拟与实验的关联

模拟的预测作用：MD 模拟提供了实验难以直接观察的原子尺度细节，例如碳原子的扩散路径、结合位点和 SiC 相的形成机制。这些信息可以解释实验中观察到的结构变化。

实验的验证作用：通过 AFM、XRD 和 EDS 等表征技术，实验结果验证了模拟的准确性，确保了计算模型的可靠性。

结论

H. Vilchis团队的研究通过MD模拟和实验方法，成功揭示了多孔硅基体功能化的原子级机制。LAMMPS和Tersoff势的应用展示了计算模拟在模拟复杂材料体系中的强大能力。研究结果表明，功能化后的PSm形成了碳-硅复合材料，具有潜在的应用前景。未来可进一步探索不同碳浓度和孔隙结构对功能化效果的影响，以优化材料设计。

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我们下期见~

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