[发明专利]单层二硫化钼剪切模量的分子力学计算方法

说明书

本发明属于计算二维纳米材料技术领域，提供了一种单层二硫化钼剪切模量的分子力学计算方法。本发明方法首先构建了在剪切载荷下的分子力学理论模型，推导了表征任意尺寸单层二硫化钼剪切模量的解析表达式并得到其剪切模量。此外，本发明方法通过测定不同特征尺寸的单层二硫化钼分子的剪切模量，得到了单层二硫化钼剪切性质的尺寸效应，结果表明剪切模量随着特征尺寸增大逐渐趋于稳定值。不但避免了实验测定剪切性质带来的成本和困难，而且为在纳米尺度下合理设计和构建单层二硫化钼纳米元器件提供理论基础。

技术领域

本发明属于计算二维纳米材料领域，涉及一种以分子力学方法测定单层二 硫化钼剪切模量的方法。

技术背景

单层二硫化钼作为一种新型的二维纳米材料，以其特殊的能带结构和优良 的半导体性质，在微纳尺度电子元器件中有着广阔的应用前景。而其设计的合 理性和可靠性是基于对材料力学性质的准确认识和理解实现的。剪切性质作为 最基础的材料属性之一，在实际工程实践中，材料的破坏往往是由于剪切应力 引起的，其总是发生在剪应力最大处。此外，在微纳观尺度下，纳米材料展现 的不同于宏观性能的尺寸效应也极大的影响着材料的性能。因此，开展对单层 二硫化钼剪切性质相关的研究，对微纳尺度电子元器件的设计和应用具有重要 的科学意义和应用价值。

目前，对纳米材料剪切性质的研究主要包括实验测定，理论方法以及数值 计算。对于实验测定而言，在纳米尺度有效进行测定二维材料的剪切性能存在 极大的挑战。随着纳米力学理论的不断成熟，为研究纳米材料的相关力学性质 提供了新的途径。其中，基于经验与半经验力场的分子力学方法，目前正成为 分析纳米材料性质的最常用的理论计算方法。

基于此，本发明采用分子力学理论方法预测了单层二硫化钼剪切性质，并 得到了其剪切模量。计算结果还显示了剪切模量随着单层二硫化钼特征尺寸增 大而趋于稳定值的尺寸效应。

发明内容

本发明提供一种基于分子力学方法测定单层二硫化钼剪切性质的方法，不 仅可以有效测定单层二硫化钼的剪切模量，避免了实验带来的成本和不便，并 且计算结果显示了单层二硫化钼的剪切模量在小尺度下(50nm以下)具有显著的 尺寸效应，随着其特征尺寸的增加，剪切模量逐渐趋于稳定值。这为在微纳米 尺度下，基于单层二硫化钼材料的电子器件的设计和应用提供了重要的理论参 考。

本发明的技术方案：

单层二硫化钼剪切模量的分子力学计算方法，首先构建单层二硫化钼分子 力学理论模型，然后根据结构自身几何关系推导出其在剪切载荷作用下，系统 总能量的函数表达式，通过最小势能原理，得到剪切模量的解析表达式，最后 求解线性方程组得到单层二硫化钼的剪切模量；

具体步骤如下：

单层二硫化钼分子是由三层原子构成类似三明治的结构，上下两层为S原 子，中间层为Mo原子；单层二硫化钼分子属于六方晶系结构，类六边形的蜂窝 状结构；根据单层二硫化钼分子结构的边界特征，将其边界分为扶手椅型边界 和锯齿形边界；分子力学计算选取单层二硫化钼分子结构中的周期性代表单元 作为分子力学理论模型，该代表单元即单胞，由9个原子构成，其中中间层为3 个Mo原子，上下两层各为3个S原子；剪切推导需分别建立该单胞在纯剪切 载荷作用下，其结构发生剪切变形前后以及相应的俯视投影(由上至下的投影) 结构共计4种模型；其中，对于未投影的单胞，根据选取单胞的几何特征，划 分出一种类型的化学键和三种类型的化学键键角，分别为钼硫键r_i、层内钼硫钼 角φ_i、层内硫钼硫角θ_i和层间硫钼硫角ψ_i，其中i＝1,2,3，代表不同位置上的 键和角；其中，层内角是指所构成硫钼硫角的两个硫原子在同一原子层面上， 层间角指硫钼硫角的两个硫原子不在同一层面上；根据理论模型的几何对称特 征，满足φ_i＝θ_i，即

dφ_i＝dθ_i(i＝1,2,3) (1)