英文原题：Ion Irradiation Effects on Two-Dimensional MXene Ti2C for Applications in Extreme Conditions: Combined Ab Initio and Monte Carlo Simulations
通讯作者：周苗 北京航空航天大学/北航杭州创新研究院（余杭）
作者：李天昭，智国翔，陈聪，张凌，翟淑伟，窦文珍，吴金格，胡玮鹃
背景介绍
二维MXene材料由于其出色的物理化学性质受到了广泛的关注，在传感器、催化、生物等领域有广泛的应用前景，其中比较重要的前景是在极端条件下的功能器件。在极端条件下，例如在外太空或核能系统中，由于受到高能粒子轰击，材料表面往往产生辐照缺陷而导致器件性能下降。然而，迄今二维MXene材料的辐照响应机制仍不清楚。在实验方面，已发表的实验报道较少难以得出有效结论；在模拟方面，辐照模拟软件难以对高能辐照有较好的模拟。例如：广泛使用的辐照模拟蒙特卡洛程序SRIM将样品设置为均匀质量的物质而忽视了微观结构，因此不能直接用于二维材料的模拟；而分子动力学方法对高能辐照模拟失效，且对于大系统计算成本很高。因此，实现高能辐照下的二维材料的原子级模拟，对理解材料辐照行为、掌握器件性质变化非常重要。
文章亮点
本文提出了一种从头算与蒙特卡洛相结合的辐照模拟方法。以结构最简单的Ti2C为例，研究辐照条件下材料的辐照响应与性质变化。工作首先通过从头算分子动力学计算出Ti与C的离域位移能，分别为10.7eV和12.8eV。工作对Ti2C进行结构分析，将整个体系的辐照碰撞过程简化于一个不可约三角形进行（如图1所示）。基于二元碰撞近似（binary collision approximation），设计了蒙特卡洛模拟框架和程序。
图1. Ti2C与入射粒子碰撞结构模型
蒙特卡洛模拟结果发现，高能粒子对二维Ti2C的辐照损伤主要由初级碰撞与平面内的级联碰撞引起。对于不同的入射条件，入射粒子的能量、核电荷数和质量均对辐照有重要影响。其中比较反直觉的是，入射能量越大，辐照损伤越小。有趣的是，Ti原子在辐照中会被选择性击飞，这对选择性刻蚀有帮助；而辐照后的Ti2C仍保持了较好的金属性，表明其辐照稳定性较高。
图2. 不同的辐照条件下的缺陷产生规律统计
总结/展望
本研究提出了一种二维材料辐照效应的多尺度模拟方法，对二维MXeneTi2C材料的离子辐照效应进行了探究，揭示了其辐照效应与缺陷性质。其中的蒙特卡洛模拟部分，相较于已有的SRIM可以实现原子级建模，相比分子动力学方法有更快地计算速度。而且该方法是可以通用的，并且适用于其他二维结构。因此，本研究不仅可以对MXenes的辐照效应提供基本的见解，还可以为开发具有优异机械和热性质的纳米材料铺平道路，以用于极端条件下的实际应用。
相关论文发表于ACS Applied Nano Materials上，北京航空航天大学博士生李天昭为第一作者，周苗教授为通讯作者。
通讯作者信息
周苗 北京航空航天大学
周苗，北京航空航天大学教授、博士生导师，国家级青年人才，国家重点研发计划首席科学家。长期从事凝聚态物理、材料表/界面的多尺度理论计算研究。主持国家重点研发计划、国防科工委挑战计划、国家自然科学基金、浙江省自然科学基金重点项目等10余项，以一作或通讯作者发表Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.、Phys. Rev. Lett.、Nano Lett.、Adv. Mater.等100余篇。担任科技部、教育部、国家自然科学基金、地区基金、大型创新企业的科技、人才项目评委。培养优秀硕博士、本科生30余人，其中多人获得国家奖学金、“挑战杯”全国一等奖等荣誉和奖项。
ACS Applied Nano Materials. 2023, ASAP
Publication Date:February 22, 2023
Copyright © 2023 American Chemical Society
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Editor-in-Chief:
Kirk S. Schanze, University of Texas
Deputy Editor:
T. Randall Lee
University of Houston
Impact Factor 2021: 6.140
Total Citations 2021: 19,177
CiteScore 2021: 7.2
ACS Applied Nano Materials is an interdisciplinary journal publishing original research covering all aspects of engineering, chemistry, physics and biology relevant to applications of nanomaterials. The journal is devoted to reports of new and original experimental and theoretical research of an applied nature that integrate knowledge in the areas of materials, engineering, physics, bioscience, and chemistry into important applications of nanomaterials.
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