石墨烯与氢原子反应入射角度依赖性的分子动力学模拟研究
本研究由日本名古屋大学（Nagoya University）能源工程与科学系的Seiki Saito、Hiroaki Nakamura及国家核聚变科学研究所（National Institute for Fusion Science）的Atsushi M. Ito合作完成，成果发表于2010年的期刊《Plasma and Fusion Research》第5卷。论文标题为《Molecular Dynamics Simulation of the Incident Angle Dependence of Reactions Between Graphene and Hydrogen Atom》，聚焦核聚变装置中偏滤器板（divertor plate）材料与氢等离子体的相互作用机制。
学术背景
碳纤维复合材料（CFCs）是核聚变反应堆偏滤器板的候选材料，但其表面会因氢等离子体轰击产生侵蚀，释放氢分子（H₂）及烃类杂质（如CH₄、C₂Hₓ），影响等离子体约束效率。为理解这一过程的微观机制，需明确氢原子与碳材料（如石墨烯）的基元反应规律。作者团队此前通过分子动力学（MD）模拟揭示了氢原子垂直入射石墨烯时的能量依赖性（见文献[1]），但实际应用中偏滤器表面在纳米尺度呈非平面结构（如多晶碳纤维、多层石墨烯堆叠），需进一步研究倾斜入射（oblique incidence）的影响。本文旨在通过经典MD模拟，定量分析氢原子入射角度（极角θ和方位角φ）对石墨烯反应（吸附、反射、穿透）的调控规律。
研究方法与流程
模拟算法与模型
- 采用经典MD模拟，在NVE系综（粒子数、体积、总能量守恒）下运行，使用改进的Brenner反应经验键序势（Reactive Empirical Bond-Order Potential, REBO）描述碳-氢相互作用。该势能函数包含排斥项（vᵣ）、吸引项（vₐ）及多体作用项（b̄ᵢⱼ），可精确模拟碳原子不同键合状态（如sp²/sp³杂化）。
- 模拟系统由160个碳原子组成的周期性边界石墨烯片及单一入射氢原子构成（图1a）。氢原子初始位置为z=3 Å，初始动能（Eᵢₙ）范围为0.1–100 eV，极角θ（0°–80°）和方位角φ（0°–60°）随机设定。每组参数重复2500次统计反应概率。
反应类型判定
- 吸附（Adsorption）：氢原子稳定结合于石墨烯表面碳位点。
- 反射（Reflection）：氢原子未发生化学吸附即弹回。
- 穿透（Penetration）：氢原子穿过石墨烯层。
数据分析方法
- 通过势能面扫描（图3）揭示吸附位点附近的势垒结构。
- 反应率统计基于大量独立模拟的均值，误差分析采用标准差。
主要结果
垂直入射（θ=0°）的能量依赖性（图2）
- 低能区（Eᵢₙ < 0.5 eV）：氢原子几乎全部反射，因需克服约0.5 eV的势垒（图3中穹顶状势垒）。
- 中能区（0.5 eV < Eᵢₙ < 7 eV）：吸附主导，氢原子需具备垂直动能分量以突破势垒，并通过能量耗散稳定吸附。
- 高能区（Eᵢₙ > 30 eV）：穿透为主，但Eᵢₙ=25 eV时出现二次吸附峰，源于氢原子穿透后动能损失导致的背面吸附。
极角θ的影响（图4）
- 反射率随θ增大单调上升，因水平动能分量增加导致垂直穿透势垒的概率降低。
- 穿透率与垂直动能分量（Eᵢₙ cos²θ）呈标度关系（图4b2），但吸附率受势垒三维结构影响，表现为非线性依赖（图4c）。例如，θ=20°时部分低能（0.5 eV）氢原子可通过势垒极小点（图5中y=±0.8 Å）吸附，而θ=80°时即使Eᵢₙ=5 eV（10倍势垒）吸附率仍极低。
方位角φ的依赖性（图6–7）
- 吸附率与φ无关，因石墨烯六重对称性使势垒结构具φ旋转不变性。
- 穿透率在θ≥60°时显现φ依赖性（图7a）：φ=30°时氢原子轨迹与碳原子阴影区重叠导致反射率骤增（图7b），而φ=0°或60°时阴影区分布差异改变穿透概率。
结论与意义
科学价值
- 首次系统揭示了氢原子倾斜入射石墨烯的反应动力学规律，阐明极角θ通过调控垂直动能分量影响穿透率，而吸附率受势垒三维结构主导。
- 为核聚变装置中偏滤器材料的侵蚀模型提供微观参数，如高θ角下反射率上升可减少烃杂质的生成。
方法论创新
- 改进的REBO势能函数精确描述碳-氢多体相互作用，支持大规模MD模拟的可靠性。
- 通过统计2500次/参数组的重复模拟，确保反应率数据的鲁棒性。
研究亮点
- 关键发现：穿透率仅依赖Eᵢₙ cos²θ，而吸附率需同时满足势垒几何匹配与能量耗散条件。
- 技术特色：势能面扫描与反应映射（图5、7b）直观揭示反应位点的空间选择性。
- 应用潜力：结果为CFCs表面改性（如纹理设计）以调控氢滞留提供理论依据。
补充说明：模拟在NIFS的“Plasma Simulator”超算平台完成，获日本文部科学省跨学科研究计划（NIFS09KEIN0091）及科研基金（19055005）支持。