北航周苗教授团队：二维材料辐照效应模拟平台
近日，北京航空航天大学周苗教授团队在研发模拟二维材料辐照效应的自主知识产权软件方面取得重要进展，相关成果以“I2DM: A Monte Carlo framework for ion irradiation on two-dimensional materials”为题在物理数学领域的国际顶级期刊《Computer Physics Communications》上发表，并获国家计算机软件著作权。
图1 论文与软件著作权
在晶体材料中，缺陷无处不在。材料如同人一样，因其缺陷而有趣。其中，二维材料有较高的比表面积，其物理化学性质会受到缺陷的显著影响。一方面，缺陷的存在通常会降低二维功能材料的电学特性，如引入散射中心并形成局域态，导致二维半导体器件出现载流子迁移率下降、寿命减少、噪音增大、发光效率降低、响应速度变慢等系列问题；另一方面，二维材料中的缺陷又能够充当载流子供体、色心、催化位点以及负载纳米催化剂的锚定位点等重要角色，这对于提高材料和器件的性能大有裨益。因此，研究缺陷对二维材料的影响，并通过缺陷工程实现二维器件的性能调控，对新材料合成和高性能器件制备都至关重要。
离子束辐照利用高能离子轰击材料表面，改变材料的微观结构与物理化学性质，被广泛应用于微电子、光学、催化化学、核能、生物医药等领域。针对二维材料，离子辐照不仅能有效调控结构与性质，还能为研究材料在极端恶劣环境中的服役性能提供有力手段。二维材料的辐照实验通常成本高、操作难度大，极大地阻碍了该方向的发展。随着计算方法的不断进步和超算的快速发展，计算模拟在材料的设计与研发中发挥着越来越重要的作用。然而，二维材料的辐照计算模拟面临诸多挑战：首先，由于计算成本高昂，非绝热Ehrenfest 动力学、从头算分子动力学和经典分子动力学等模拟方法难以实现大尺寸、高通量和高入射能量的辐照模拟；其次，现有的蒙特卡罗软件（如SRIM、MARLOWE等）将靶材料看作具有均匀密度的非晶基质，在原子层面缺乏对散射过程的详尽描述，或仅考虑简单的三维晶体，不适用于二维材料上的离子辐照。因此，开发一种精准、高效且成本效益良好的方法来描述离子辐照过程并模拟二维材料的辐照响应，对材料改性及抗辐照材料设计都极为关键。
图2 I2DM二维材料离子辐照模型
在该项研究中，周苗教授所带领的团队成功研发了国际首套针对二维材料辐照效应的计算模拟软件平台I2DM（Ion Irradiation on 2D Matter）。此平台描述了辐照离子与二维靶材料之间的相互作用，并能够模拟二维系统内部缺陷的产生与演化行为。基于二元碰撞模型，团队创新性地引入了同时碰撞修正机制和缺陷重组策略，有效地考虑了低能辐照与结构弛豫。在模拟的实际操作流程中，用户能够灵活调控各类输入参数，如入射离子种类、能量、剂量、带电荷、入射角度等，进而构建出靶材料的晶体结构及离子发射源（如图1）。I2DM程序运行时执行辐照过程中的初级碰撞与级联碰撞，在每一轮辐照结束之后，自动扫描并对体系内的缺陷予以重组整合，最后为用户呈递详尽的辐照形貌信息以及缺陷统计数据。
研究团队通过对石墨烯、六方氮化硼（h-BN）和二硫化钼（MoS2）等典型二维材料的辐照行为的系统性研究（图3- 5），发现I2DM所得到的缺陷结果与实验测量数据及分子动力学结果呈现出高度的一致性。与国际上通用的SRIM模拟软件相比，I2DM充分考虑了材料的原子级晶体结构，进而能够针对二维材料的辐照过程实施精准且具有针对性的模拟，这对于深入理解不同二维材料辐照缺陷的产生机制具有重要意义。
图3石墨烯离子辐照的I2DM结果与分子动力学结果对比
图4 h-BN离子辐照的I2DM结果与分子动力学结果对比
图5 MoS2离子辐照的I2DM结果与分子动力学结果对比
周苗团队开发的I2DM具有高保真度、高计算效率和广泛的适用性，不仅可以揭示二维系统离子辐照响应的微观机制，还能为新材料的设计和优化（如离子注入、半导体掺杂、单光子发射、单原子催化等）提供新思路。该成果得到了北航十大科学问题、国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的支持。
论文链接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0010465524003680
软件著作权登记号：2024SR1355895
