武大欧阳稳根研究员与TAU合作者J. Chem. Theory Comput.同期两篇: 范德华异质结材料的准确各向异性层间力场

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近年来，由二维材料垂直堆叠而成的范德华异质结构，因其独特的界面力学和物理性能而受到学术界和产业界的广泛关注，相关课题研究已经形成一个新的交叉前沿研究热点。例如魔角双层石墨烯的超导特性，石墨烯/氮化硼异质结构的稳定超润滑（超低摩擦磨损）以及过渡金属硫族化合物异质结的优异光学性能等，在智能制造和器件领域都有着非常重要的技术应用前景。实验发现这些性质均和异质界面形成的莫尔超晶格密切相关，为了理解背后的机理，准确描述其层间相互作用是关键。通常认为第一原理计算可以提供比较准确的描述，但是其计算量巨大，无法模拟大尺度的莫尔超晶格体系，分子动力学模拟的计算量虽然满足要求，但其用来模拟范德华相互作用的Lennard-Jones势函数不能准确预测和解释实验观测的结果，这使得人们无法深刻理解范德华异质结构所呈现界面力学与物理性质背后的机制，从而很难为实验上进一步提高或调控其性能提供有效指导，限制了这类新型材料进一步的应用。目前只针对极少数的几种范德华异质结构开发了准确的层间力场，而对成千上万种新发现的二维材料所组成的异质结构，其层间力场的研究还是一片空白。

基于上述背景，武汉大学欧阳稳根研究员和特拉维夫大学Hod和Urbakh教授近些年一直致力于发展一套统一的方法来快速构建各类范德华异质结构的准确层间力场，提供高效可靠的计算方法，进而系统研究影响其界面力学和物理性质的因素并揭示机理。目前已成功发展出可准确描述石墨烯和氮化硼体系范德华相互作用的力场，详见Nano Lett. 18, 6009 (2018)，J. Chem. Theory Comput. 16, 666 (2020)，Nano Lett. 20, 7513 (2020)，Phys. Rev. Lett. 126, 216101 (2021)。最近，作者们又发展了针对二硫化钼及石墨烯-金界面的各向异性力场，两个工作分别以“Anisotropic Interlayer Force Field for Transition Metal Dichalcogenides: The Case of Molybdenum Disulfide”和“Registry-Dependent Potential for Interfaces of Gold with Graphitic Systems”为题，同期发表于《Journal of Chemical Theory and Computation》。

模型体系及计算方法

此研究首先建立适用于DFT的异质结模型（图 1），计算异质结高对称堆垛构型的结合能曲线和滑移势垒面（图 2），然后用各向异性力场对这些数据进行最小二乘拟合（详见参考文献），得到势参数，最后将力场写入最为广泛应用的分子动力学开源软件LAMMPS，模拟其界面力学性质并和实验进行对比，证实力场的有效性。

图 1. DFT计算模型。左栏：二硫化钼五种高对称堆垛构型的侧视和俯视图；右栏：石墨烯和苯环在Au(111)表面的俯视和侧视图。

图 2. 以石墨烯-Au(111)异质结为例展示力场的标定。图（a）为界面结合能曲线，红点为DFT数据，黑线为力场拟合结果；图（b）为图（a）在平衡层间距附近的放大图；图（c-d）分别为DFT和各向异性力场计算得到的滑移势垒面，图（e）为两者之差。

用实验数据验证各项异性力场的有效性

（i）声子谱(Phonon Spectrum)

图 3展示了各项异性力场（ILP）和Lennard-Jones（LJ）力场计算的MoS₂的声子谱与实验数据的对比。很明显，LJ预测的声子谱和实验数据明显偏离，而ILP计算的声子谱和实验吻合良好。

图 3. 各项异性力场和Lennard-Jones力场计算的MoS₂的声子谱与实验数据的比较。

（ii）体积模量（Bulk Modulus）

除声子谱外，作者们还利用各向异性力场计算了多层二硫化钼在高压下的力学行为，即其层间距、晶格常数以及晶格体积随着体系所受静水压力的变化（如图 4所示），将这些计算结果和实验数据进行对比发现，直到20 GPa高压，计算和实验吻合良好。由这些数据所计算体积模量的数值也在实验误差范围之内。

图 4. 多层二硫化钼在高压下，其层间距（a）、晶格常数（b）以及晶格体积（c）随着体系所受静水压力的变化。图中实心点为实验数据，实线为通过各向异性力场模拟得到的结果。

小结

本文所述的两个工作是作者们长期研究计划中的一部分，这个长期项目的研究目的是发展出一套针对范德华异质结构系统且准确高效的计算方法，具体研究内容包括建立对范德华异质结构普遍适用的层间力场形式、提出基本理论概念、并将层间力场写入分子动力学开源软件LAMMPS以实现大规模并行模拟。在此基础上，利用开发的力场研究影响范德华异质结构界面力学性质的微观机理及其影响因素，进而提出实现大尺度范德华异质结构优异界面力学性能的方法，为实验设计提供有益指导，从而促进这类新型材料在智能器件中的广泛应用。目前欧阳稳根研究员和Hod/Urbakh教授正在招收博士后，欢迎各位青年才俊加入！

作者简介

欧阳稳根：https://civ.whu.edu.cn/info/1377/10101.htm 

Oded Hod：https://www.tau.ac.il/~odedhod/ 

Michael Urbakh：https://english.tau.ac.il/profile/urbakh 

原文链接

[1] W. Ouyang, R. Sofer, X. Gao, J. Hermann, A. Tkatchenko, L. Kronik, M. Urbakh, and O. Hod, Anisotropic Interlayer Force Field for Transition Metal Dichalcogenides: The Case of Molybdenum Disulfide, J. Chem. Theory Comput. 17, 7237 (2021).

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jctc.1c00782 

[2] W. Ouyang, O. Hod, and R. Guerra, Registry-Dependent Potential for Interfaces of Gold with Graphitic Systems, J. Chem. Theory Comput. 17, 7215 (2021).

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jctc.1c00622 

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