Tidsbesparende simulering af afskalning af grafenplader

Kontrol af atomskala friktion og adhæsion er afgørende for effektiv manipulation af bevægelsen af ​​objekter i nano- eller mikrometerskala ved grænseflader. For eksempel, i nanoteknologi spiller kontrol af adhæsion under skrælningsprocessen af ​​grafenplader en meget vigtig rolle i manipulation og fremstilling. Grafen er et lovende materiale på grund af dets mekaniske, elektronisk, magnetiske, spintronic, og optiske egenskaber. I tidligere arbejde, en sammenligning mellem simulering og eksperiment med afskalning af grafen har afsløret dets unikke friktions- og klæbende egenskaber.

Imidlertid, beregningstiden bliver længere, når størrelsen af ​​grafen øges, så en direkte sammenligning af den simulerede lodrette kraftkurve med eksperimenter er vanskelig. Desuden, det er også vanskeligt at adskille rene effekter relateret til vedhæftning fra dem, der skyldes friktion under skrælningsprocessen.

Her, Ryoji Okamoto, Koki Yamasaki, og Naruo Sasaki ved University of Electro-Communications har udviklet en tidsbesparende potentiel model til at simulere klæbeegenskaberne under skrælningsprocessen af ​​lænestolstype grafenplader fra friktionsfri grafitsubstratoverflader.

Ved at bruge dens strukturelle symmetri, lænestolstypens grafenplade blev reduceret til den effektive fjedermodel [Fig. (en)]. Derefter blev kanten af ​​fjedermodellen løftet i lodret retning. For hver løfteposition, modellen blev strukturelt optimeret ved hjælp af konjugatgradientmetoden.

De vigtigste resultater var:(1) Beregningstiden med dette potentiale blev reduceret til 1/6400 sammenlignet med vores tidligere model. (2) Overgangen af ​​formen på grafenarket og den lodrette kraftkurve opnået med denne model reproducerede med succes dem opnået med vores tidligere model. (3) Denne potentielle model blev med succes udvidet til at omfatte den effektive stivhed af en atomkraftmikroskopi (AFM), som består af udkragningens stivhed, spids og kontaktområde [Fig. (en)]. Den karakteristiske trinstruktur af den vertikale kraftkurve blev opnået ved den udvidede model [fig. (b) og (c)].

Vores tilgang åbner nye retninger for multiskala-fysik af afskalningsprocessen af ​​det elastiske lag fra atom- til mikrometerskala, og fortolkning af kraftspektroskopi observeret af AFM.