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基于生物薄膜中分子运动的分子动力学模拟的研究分子动力学模拟是一种利用计算机模拟系统内分子间相互作用的物理过程的技术。
生物材料中的分子运动是生物学和化学研究的重要方向之一。
基于生物薄膜中分子运动的分子动力学模拟是研究这一领域的重要方式之一。
在本文中，我们将探讨各种用于研究生物薄膜中分子运动的分子动力学模拟技术，并讨论它们的应用，以及未来的展望。
生物薄膜是一个由脂质和蛋白质组成的动态结构。
脂质分子形成双层结构，蛋白质分子嵌入其中，并且分子的运动和相互作用对细胞功能和生理状态的影响被广泛研究。
应用分子动力学模拟技术，可以模拟薄膜中分子的运动、相互作用和构象变化。
这些模拟可以帮助人们更好地理解薄膜的结构和功能。
分子动力学模拟的基本原理是通过数值的方式模拟分子运动，并计算各个分子之间的相互作用。
由于每个分子的行为都可以通过一组特定方程式来描述，因此模拟是非常可行的。
分子动力学模拟还可以模拟化学反应，热力学性质和材料结构等方面。
在分子动力学模拟中，最常见的技术是基于外部能场计算双粒子相互作用的经验力场。
这种技术从粗略的角度来看，可以有效地模拟生物薄膜的宏观性质。
在实际应用中，研究生物薄膜中的模拟技术大多是基于离散的分子动力学模拟（DMD）。
这在 DMD 过程中，分子被描述为一系列离散的质点，并通过分子间作用力来计算它们之间的相互作用。
在生物薄膜中，DMD 能够模拟脂类双层的形成以及蛋白质嵌入。
为了模拟生物薄膜，DMD使用的模拟单元通常是网格，因此在 DMD 中观察分子的微观行为并不容易。
近年来，随着计算机技术的不断发展，基于生物薄膜的 DMD 技术得到了广泛的应用。
VMD 是一种基于可视化的 DMD 技术，可以模拟生物薄膜中的分子运动，并观察它们之间的相互作用。
此外，一些 DMD 技术也被用于分析蛋白质与脂类分子的相互作用。
这种技术通常是通过计算蛋白质的表面电荷或疏水性来实现的。
这种技术可以用于设计新的药物或防止蛋白质降解。
金刚石薄膜的性质、制备及应用金刚石薄膜因其独特的物理、化学性质而备受。
作为一种具有高硬度、高熔点、优良光学和电学性能的材料，金刚石薄膜在许多领域具有广泛的应用前景。
本文将详细探讨金刚石薄膜的性质、制备方法以及在各个领域中的应用，旨在为相关领域的研究提供参考和借鉴。
金刚石薄膜具有许多优异的物理和化学性质。
金刚石是已知的世界上最硬的物质，其硬度远高于其他天然矿物。
金刚石的熔点高达3550℃，远高于其他碳材料。
金刚石还具有优良的光学和电学性能。
其透明度较高，可用于制造高效光电设备。
同时，金刚石具有优异的热导率和电绝缘性能，使其在高温和强电场环境下具有广泛的应用潜力。
制备金刚石薄膜的方法主要有物理法、化学法和电子束物理法等。
物理法包括热解吸和化学气相沉积等，可制备高纯度、高质量的金刚石薄膜。
化学法主要包括有机化学气相沉积和溶液法等，具有沉积速率快、设备简单等优点。
电子束物理法是一种较为新兴的方法，具有较高的沉积速率和良好的薄膜质量。
各种方法的优劣和适用范围因具体应用场景而异，需根据实际需求进行选择。
光电领域：金刚石薄膜具有优良的光学性能，可用于制造高效光电设备。
例如，利用金刚石薄膜制造的太阳能电池可将更多的光能转化为电能。
金刚石薄膜还可用于制造高品质的激光器、光电探测器和光学窗口等。
高温领域：金刚石的熔点高达3550℃，使其在高温环境下具有广泛的应用潜力。
例如，金刚石薄膜可应用于高温炉的制造，提高炉具的耐高温性能和加热效率。
金刚石薄膜还可用于制造高温传感器和热电偶等。
高压力领域：金刚石具有很高的硬度，使其在高压环境下保持稳定。
因此，金刚石薄膜可应用于高压设备的制造，如高压泵、超高压测试仪器等。
金刚石薄膜还可用于制造高精度的光学镜头和机械零件等。
本文对金刚石薄膜的性质、制备及应用进行了详细的探讨。
作为一种具有高硬度、高熔点、优良光学和电学性能的材料，金刚石薄膜在光电、高温、高压力等领域具有广泛的应用前景。
第48卷第4期 2020年4月硅 酸 盐 学 报Vol. 48，No. 4 April ，2020JOURNAL OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY DOI ：10.14062/j.issn.0454-5648.20190416类金刚石薄膜热稳定性及热磨损机理研究进展黄 雷，袁军堂，李 超，汪振华(南京理工大学机械工程学院，南京 210094)摘 要：类金刚石(DLC)薄膜作为典型的固体润滑剂，耐热性差一直是制约其高温服役性能以及产业化推进的主要原因之一。
高温将直接影响DLC 碳基骨架稳定性，进而限制其优异摩擦学性能的发挥。
分别从DLC 热稳定性影响因素、热稳定性研究方法以及热磨损机理研究进展3个方面展开介绍，分析未来的发展趋势，以期为DLC 高温环境下服役性能研究提供技术参考。
关键词：类金刚石；热稳定性；热磨损机理中图分类号：TG711 文献标志码：A 文章编号：0454–5648(2020)04–0599–09 网络出版时间：2019–12–25Research Progress on Thermal Stability and Thermal Wear Mechanismof Diamond-like Carbon FilmsHUANG Lei , YUAN Juntang , LI Chao , WANG Zhenhua(School of Mechanical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China)Abstract: Diamond-like carbon (DLC) regarded as a typical solid lubricant has been dramatically restricted by internal weak thermostability, which further shortens the intrinsic service life and obstructs its industrialization. While working at elevated temperatures, the carbon matrix of DLC changes along with the deterioration of its superior tribological performance. In this paper, the latest progress on thermal stability and thermal wear mechanism of DLC film were reviewed and future research direction was proposed as well, aiming to provide technical reference for the studies on high-temperature service performance of DLC film.Keywords: diamond-like carbon; thermal stability; thermal wear mechanism类金刚石(DLC)薄膜是一类包含金刚石sp 3杂化结构和石墨sp 2杂化结构的亚稳态非晶体，作为典型的固体润滑材料，集高硬度、低摩擦、减摩耐磨特性于一身[1‒4]。
薄膜结构的动力学特性研究薄膜结构是指其厚度相对于其它尺寸而言非常薄的结构，它具有独特的力学性质和动态响应特性。
对薄膜结构的动力学特性进行系统研究，不仅可以深入理解其力学行为，而且对于各种领域的应用有着重要的意义。
本文将重点讨论薄膜结构的动力学特性以及相关的研究进展。
一、薄膜结构的力学特性薄膜结构的力学特性主要包括弹性性质、塑性行为和断裂机理等方面。
由于薄膜结构的尺寸特别小，使得其受力行为呈现出与传统材料不同的特点。
例如，薄膜结构的弹性模量与厚度呈反比关系，而且由于表面固有应力等因素的影响，其弹性性质可能与材料的体相不同。
此外，薄膜结构在塑性变形过程中也有着独特的性质，尤其是当其尺寸降至纳米尺度时，其塑性行为和变形机制表现出与体相材料截然不同的行为。
二、薄膜结构的振动特性薄膜结构的振动特性是研究其动力学行为的重要方面。
由于尺寸的限制和表面效应的影响，薄膜结构的振动模式和频率常常与宏观尺寸材料不同。
通过研究薄膜结构的振动模态、频率响应和阻尼特性，可以揭示材料的力学性质和表面效应对其动力学行为的影响。
三、薄膜结构的变形行为薄膜结构的变形行为在微纳制造、应力传感器等领域具有广泛的应用。
其变形行为既受到加载方式的影响，也受到尺寸效应和材料参数等因素的制约。
通过研究薄膜结构的变形行为，可以了解其力学性能和微观结构的相互关系，从而为相关领域的设计和应用提供理论依据。
四、薄膜结构的动态响应薄膜结构在受到外界激励时，具有独特的动态响应特性。
例如，当薄膜结构受到热激励或电激励时，会出现热膨胀或压电效应导致的形状变化。
此外，薄膜结构还具有动态压电耦合效应、声子振动等特性，这些现象对于薄膜结构在能量转换、传感器等方面的应用具有重要意义。
总结：薄膜结构的动力学特性是一个复杂而富有挑战性的研究领域。
通过对其力学特性、振动特性、变形行为和动态响应的深入研究，可以为薄膜结构的设计和应用提供更加准确的理论基础。
未来的研究工作应当继续深入探索薄膜结构的动力学行为，并结合实际应用需求，不断拓展其在微纳器件、能源和传感器等领域的应用前景。
金刚石纳米薄膜法向热导率的分子动力学模拟
章节一：金刚石纳米薄膜的热导率
金刚石是一种具有高热导率的材料，其热导率可达到2000 W/mK，是铜的5倍以上。
而金刚石纳米薄膜的热导率则会因其尺寸的变小而发生变化。
研究金刚石纳米薄膜的热导率，对于了解其在纳米尺度下的热传输特性具有重要意义。
章节二：分子动力学模拟
分子动力学模拟是一种计算方法，可以模拟分子的运动和相互作用。
通过分子动力学模拟，可以研究材料的热传输性质。
在模拟中，需要考虑分子之间的相互作用力，以及分子的运动轨迹等因素。
章节三：金刚石纳米薄膜法向热导率的分子动力学模拟
通过分子动力学模拟，可以研究金刚石纳米薄膜的法向热导率。
在模拟中，需要考虑金刚石纳米薄膜的结构和尺寸等因素。
通过模拟，可以得到金刚石纳米薄膜的温度分布和热流密度等信息，从而计算出其法向热导率。
章节四：模拟结果与实验结果的比较
将模拟结果与实验结果进行比较，可以验证模拟的准确性。
通过比较，可以发现金刚石纳米薄膜的法向热导率随着其厚度的减小而降低。
同时，金刚石纳米薄膜的热导率也会受到温度和压力等因素的影响。
章节五：应用前景
金刚石纳米薄膜的热导率研究对于纳米电子器件的设计和制造具有重要意义。
同时，金刚石纳米薄膜的热传输性质也可以应用于热管理领域，例如在高功率电子器件中的散热等方面。
因此，金刚石纳米薄膜的热导率研究具有广泛的应用前景。
类金刚石薄膜制备及应用综述类金刚石薄膜是一种具有高硬度、高热导率、化学稳定性良好等优良性能的材料，在多个领域有着广泛的应用。
在本综述中，我将就类金刚石薄膜的制备方法、特性及应用进行详细的介绍，以期为相关领域的研究人员提供指导和借鉴。
一、类金刚石薄膜的制备方法1. 化学气相沉积法化学气相沉积法是一种常用的制备类金刚石薄膜的方法，其核心原理是利用化学反应在基板表面上沉积出单质碳或烷烃单体，再通过合适的条件使其聚合形成类金刚石薄膜。
其优点是工艺成熟、生产效率高，所需设备成本较高，对操作者的技术要求也较高。
2. 微波等离子体化学气相沉积法微波等离子体化学气相沉积法则是在化学气相沉积法的基础上引入了等离子体，利用微波等离子体来活化反应气体，提高沉积速率和质量，从而得到较高质量的类金刚石薄膜。
3. 溅射法溅射法是利用高能粒子轰击类金刚石靶材，使其表面的碳原子脱离靶材并在基底表面重新结晶形成薄膜。
该方法制备的类金刚石薄膜质量较好，但成本较高。
二、类金刚石薄膜的特性1. 高硬度类金刚石薄膜具有与天然金刚石相近的硬度，达到10GPa以上。
这使得类金刚石薄膜在一些需要高耐磨性能的领域有着广泛的应用，如刀具表面涂层等。
2. 高热导率类金刚石薄膜具有非常高的热导率，可达到约2000W/mK，因此被广泛用于热管理领域，如散热片、导热膏等。
3. 化学稳定性良好类金刚石薄膜在化学腐蚀等方面具有较好的稳定性，这使其在一些特殊的化学环境下得到应用。
4. 其它特性除了上述特性之外，类金刚石薄膜还具有较好的光学性能、生物相容性等特性，这为其在生物医疗、光学涂层等领域的应用提供了可能。
三、类金刚石薄膜的应用1. 刀具涂层由于其高硬度与耐磨性能，类金刚石薄膜被广泛应用于刀具涂层，能够大大提高刀具的使用寿命与切削性能。
2. 热管理材料类金刚石薄膜的高热导率使其成为理想的热管理材料，广泛应用于散热片、导热膏等领域。
3. 光学涂层类金刚石薄膜的优良光学性能使其在激光光学、液晶面板等领域有着广泛的应用。
万方数据溅射生长Ｇｅ／Ｓｉ（１００）ｚ×。
薄膜的分子动力学研究／陈立桥等离，之后再在３００Ｋ下驰豫３ｐｓ以形成Ｓｉ（１００）２×－表面。
整个模拟晶胞自下而上分为３部分。
①底部２层，在整个动力学过程中保持ｓｉ原子固定；②中间５层，其原子用速度标定法［１３］标定，使温度始终与设定的温度保持一致；③表面５层，让表面原子完全受势场作用。
在平行于表面的Ｘ、Ｙ方向上采用二维周期性边界条件，使粒子在水平面上成为赝无限。
共入射２１６个锗原子，入射锗原子的初始位置离硅表面足够远，以致初始位置时它们的相互作用可以忽略不计，入射位置坐标随机产生。
由于计算机所能模拟的生长速率必定远大于实际生长速率，但模拟发现锗原子在入射到基底表面大约１．５ｐｓ后已基本趋于稳定，这里我们取２ｐｓ的时间间隔，以让每一个原子可有足够的时间驰豫从而使得结果比较接近实际情况。
模拟中采用Ｔｅｒｓｏｆｆ势［１妇计算原子间相互作用力，Ｔｅｒｓｏｆｆ势对于描述ｓＰ３成键类型的金刚石体系及低于或高于四配位的成键方式体系都能给出正确的结果。
而且，它还可以用于描述不同种原子间的相互作用，如Ｃ－Ｓｉ、Ｓｉ－Ｇｅ、Ｓｉ－Ｂ及豁Ｈ等，因而在半导体材料体系的模拟中应用广泛，并已成功用于Ｓｉ－Ｇｅ生长体系的模拟计算［１５］。
整个模拟过程采用ＮＶＴ系综，时间步长△Ｘ＝Ｏ．５ｆｓ，截断半径取０．８ｒｉｍ。
２结果与讨论２．１入射角度对薄膜生长的影响固定基底温度为６５０Ｋ，然后对比入射能量分别为０．２ｅＷａｔｏｍ及ｌｅＶ／ａｔｏｍ时沿４５。
与９０。
两方向入射后的结果。
图１为界面层原子（衬底最表层硅原子及生长的第一层锗原子）总的对关联函数变化关系。
图２为４种情况下的原子构型截面图。
１Ｊ６Ｌ２３∞‰Ｑ４∞１．６１上。
雌～０．４ｏ．ｏＯ２４６８势，易出现空位［１６。
而锗以１ｅｖ／ａｔｏｍ能量入射时，两个角度下的对关联函数很相似，只是９０。
时峰形略高一些，而原子构型看不出有明显差别。
Material Sciences 材料科学, 2014, 4, 145-151Published Online July 2014 in Hans. /journal/ms/10.12677/ms.2014.44022The Molecular Dynamics Simulation on the Diamond-Like Carbon FilmsMinyong Du1, Ming Zhang1*, Jizhou Wei1, Haoliang Deng1, Shangjie Chu1, Kun Ren21College of Materials Science and Engineering, BeiJing University of Technology, Beijing2College of EE and CE, Beijing University of Technology, BeijingEmail: duminyong@, *mzhang@Received: May 28th, 2014; revised: Jun. 25th, 2014; accepted: Jul. 4th, 2014Copyright © 2014 by authors and Hans Publishers Inc.This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY)./licenses/by/4.0/AbstractThe research and application of the diamond-like carbon films are very extensive since it was found due to the superior properties. Therefore, we had begun to study using molecular simula-tion methods in order to get better properties and explore better structure as early as the 1980s.In this background, the paper describes the development of the case of the diamond-like carbon films’ study, and gives a brief summary for the representative study of each period. Then, we point out some of the key issues that the diamond-like simulation faces and give the prospect for its fu-ture development at the end of this paper.KeywordsDiamond-Like Carbon Films, Molecular Dynamics Simulation, Interatomic Potentials类金刚石薄膜的分子动力学研究杜敏永1，张铭1*，魏纪周1，邓浩亮1，楚上杰1，任坤21北京工业大学，材料科学与工程学院，北京2北京工业大学，电子信息与工程学院，北京Email: duminyong@, *mzhang@收稿日期：2014年5月28日；修回日期：2014年6月25日；录用日期：2014年7月4日*通讯作者。
摘要自类金刚石薄膜发现以来，由于具有优越的物理性能，它的研究和应用都十分的广泛。
因此，为了得到更好的性能，探索更佳的结构，早在上世纪80年代就已经开始了利用分子模拟的方法对它进行研究。
本文就是在这种研究背景下，介绍了对类金刚石薄膜分子动力学研究的发展情况，并且对各个时期具有代表性的研究进行了简要的总结。
然后，在文章的末尾指出了类金刚石模拟所面临的一些关键问题，并对其未来的研究方向进行了展望。
关键词类金刚石薄膜，分子动力学模拟，原子相互作用势1. 引言20世纪70年代，Aisenberg、Pencen等人首次利用离子束沉积法(IBD)在室温下制得了一种硬质膜，称其为类金刚石(DLC)薄膜[1][2]。
到70年代末期，E. G. Spencer和Weissmantel等提出了离子束增强沉积法(IBED)制备DLC膜，并率先对其进行了研究[3]。
由于制备方法简单，同时具有金刚石和石墨的优点,以及在光学，电学，机械制造，医学，惯性约束聚变等领域拥有广阔的应用前景，这种类金刚石薄膜在科研界迅速引起了极大的关注。
随着不断的研究人们已经逐渐认识到这种类金刚石薄膜是一种非晶薄膜，拥有网状的结构。
并发现非晶类金刚石薄膜同时含有sp3、sp2、sp1这三种杂化键，它的性能随sp3、sp2、sp1的含量不同而发生变化[4]。
在信息时代，为了更好的研究性能和结构，仅仅依靠传统的实验方法显然已无法满足需要，而分子动力学模拟在材料研究中所表现出的省时，省料，以及节约劳动力的巨大优势，使这种方法得到了迅速发展。
所谓分子动力学模拟是指以玻恩-奥本海默近似[5]为基本前提，选取合适的系综和原子相互作用势建立模型，并用牛顿力学方程对体系中的粒子进行求解，直到体系性质趋于稳定。
可以说实验与模拟相结合的研究方法越来越受研究者们的青睐，它实现了人们对材料有目的、有规律、高效率的进行研究的梦想。
2. 类金刚石薄膜的分子动力学研究2.1. 原子作用势函数上世纪80年代，美国的D. Beeman和英国的J. Robertson等人对无序的非晶碳模型进行了研究，发现体系中的sp2结构所得的数据与实验结果差距较大，这是因为在模拟中原子的相互作用势对π键的考虑不足造成的[6]-[8]。
紧接着，IBM研究部门的J. Tersoff引入了一种经验原子势函数，研究发现，这种势函数可以非常精确的描述碳的结构、性能等[9][10]。
但Tersoff势在描述π-π键交互能上依然无能为力。
1990年，美国的Brenner基于Tersoff势引入了经验的多体势函数，由于在计算上具有短程和快速的优点，这使得进行大规模的分子动力学模拟得以实现[11]，但其仍不能对石墨的结构进行完整的模拟。
后来，克里特岛大学的Pantelis C Kelires用修正后的势函数[12]，对非晶碳模型的结构，力学性能和弹性性能进行了研究。
发现模型的弹性软化和局部应力对网状非晶碳的形成起了促进作用，但是对sp3到sp2的转化机制和电子的行为并没有给出很好的解释[13][14]。
为了更好的考虑电子行为对类金刚石薄膜性能的分子动力学模拟的影响，爱荷华州立大学的Wang等人采用紧束缚的分子动力学方法计算了类金刚石薄膜电子结构，但遗憾的发现高密度的sp3含量与试验结果存在很大的偏差[15][16]。
德国的Th. Frauenheim等人则用半经验势密度泛函近似的分子动力学对淬火的非晶碳模型和加氢的非晶碳模型的结构，物理性能和电子性能进行了模拟研究，并利用二体交换势和局域态密度近似将多电子相互交换能等效为一个电子的势能。
发现这可以对π键的影响给出很好的解释，并指出高密度，高四面体键的模型的电子带性能与sp3模型中嵌入的π键的尺寸和重叠分布有一定的关系，p杂化轨道的重叠促进了强π键的形成[17]-[20]。
后续还有许多人做了相关方面的研究，他们从新的模型结构，大的计算基组，以及第一性原理分子动力学等方面入手，寻求更高的精确度，在前人的工作基础上取得了一定的进展[21]-[29]。
我们可以发现，采用Tersoff势和Brenner势可满足对具有大量粒子、且电子行为与π-π键交互作用对其性质影响不大的系统的分子动力学研究的需要。
但当π键与电子行为等因素对薄膜性质有较为重要的影响时，上述两种作用势将不能满足对类金刚石薄膜分子动力学研究的要求，在这种情况下，为了更好的逼近真实情况，并得到更好的计算精度，更加准确的原子间作用势是必须考虑解决的最重要的影响因素之一。
例如，改进后的多体Tersoff势函数，甚至是采用精度更高的第一性原理法等都是目前研究者们所做的一些有益的尝试[17][23][24]。
但另一方面，我们也应该认识到，随着计算精度的提高，分子动力学模拟对计算的软硬件的要求也越来越高，而且，也会大幅增加计算量和计算时间，因此，在实际的模拟工作中，研究者必须根据研究的实际需要，采用合适的模型和原子作用势来进行计算，以获得计算精度与计算工作量之间的最佳效能比。
2.2. 国内外对薄膜生长机理的研究到目前为止，针对类金刚石薄膜的生长机理已有很多理论与实验研究工作，但还未取得一致的认识，比较获得接受的生长机理是认为，由浅层碳离子注入所引起的内部亚表面原子的生长[30]。
例如，德国科学家H. U. Jager和A. Yu. Belov以Brenner势模拟原子间的相互作用，用分子动力学模拟研究了ta-C薄膜的形成，并进一步研究了薄膜在退火处理后网状非晶碳中sp2团簇结构的形成与演化[30]-[32]。
他们发现，基体的温度和沉积粒子的入射能量对薄膜的生长有显著的影响，具体表现为：在低温下薄膜中sp3键含量随能量的增加而增加，但当沉积离子束的能量低于20 eV时，将不会产生具有类金刚石性能的薄膜，这与Y. Lifshitz等提出的亚表层注入模型的情况相一致[33]-[35]。
当基体的温度超过临界温度Tc(约为100℃)时，ta-C将急剧转变为石墨相。
在对薄膜进行后续的退火处理研究时，通过比较退火薄膜与沉积型薄膜的结构发现，当薄膜的密度小于3 g/cm3时，随着大量的sp2键的形成，ta-C的结构渐趋不稳定，这与早期的相关报道也是符合的[30]-[32]。
但是，由于研究中采用的原子间作用势是Brenner势函数，正如我们上文中所讨论的，由于该势无法很好的模拟π键的影响，因此，应用该势很难对富含sp2键的薄膜性质作出很好的预测，这方面还有待于后续研究，例如构建更精确的原子间作用势等，以及与实验研究的结合，才能对富含sp2键的类金刚石薄膜的结构与性质有一个更好的认识。
在类金刚石薄膜生长机理的分子动力学研究方面国内学者也开展了大量的工作，例如，清华大学马天宝等人以半经验的反应式键序势函数(REBO) [36]，用分子动力学从原子尺度上研究了薄膜的生长[37]。
他们的研究指出，原子在薄膜表面的行为可分为表面冷冻，注入，迁移和反弹等四种，并给出了四种行为与能量变化的关系，如图1所示。
