模拟离子轰击单层石墨烯
单层石墨烯的性质可以通过引入缺陷来调控。获得可控缺陷的一个有效的方法是使用高能离子轰击单层石墨烯。分子动力学模拟可被用来阐明此过程中所涉及的机制，并增进我们对外部参数（比如引入离子的动能）如何影响缺陷形成的理解。在本实例中，借助文献[BS12]中的方案，您将模拟离子轰击石墨烯。 特别地，您将：
- 学习基于Virtual NanoLab (VNL)建立计算所需的基本步骤。
- 学习如何手动地在 VNL产生的Python脚本中引入修改。
- 使用QuantumATK运行计算。
构造单层石墨烯
打开 
Builder 进行如下操作：
- 使用Nanosheet插件Add ‣ From plugin ‣ Nanosheet来创建一个石墨烯单胞。
- 使用Bulk Tools ‣ Swap Axes，点击C↔A和 Z↔X来旋转结构和晶胞矢量。现在表面朝向沿着Z轴。
- 使用Bulk Tools ‣ Repeat通过在A和B方向给一个想要的重复数（比如10*4）来创建一个合适的超胞。
- 使用Bulk Tools ‣ Lattice parameters窗口栏增加C矢量的z分量为50.0Å。确保改变晶格时保持笛卡尔坐标不变。
添加一个轰击原子
普通列表项目轰击原子原则上可以添加在表面上方的任何地方。接下来，您可以选择添加轰击原子在一个石墨烯碳原子正上方（顶位），也可以在石墨烯碳圆环中间位置正上方（空心位）。
在顶位添加一个原子：
- 选择单层石墨烯中间部位的一个原子。
- 使用Coordinate Tools ‣ Translate，通过给translation vector键入一个合适的z分量，将轰击原子放在单层石墨烯上方一个初始高度（比如30Å）
- 选中Copy并点击Apply。
在空心位添加一个原子：
- 选中在片层中心位置的一个六元环上的六个碳原子。
- 点击在Builder工具栏中的 图标。
- 选择新建的原子并使用Coordinate Tools ‣ Translate工具（点掉Copy复选框）来将原子平移到表面上方想要的初始位置。
注意！
如果您想修改轰击原子的确切位置，您可以使用Translate工具，也可以编辑原子最后的坐标（使用Coordinate Tools ‣ Coordinate List工具）
设置模拟
您将使用
Script Generator来为模拟设置计算器。建议在模拟开始之前使用经典势对石墨烯片层的晶格进行优化。关于计算器和经典势的细节阐述如下。
- 首先，通过点击
键将结构从Builder送到Script Generator。
在Script Generator中：
- 添加一个
New Calculator模块。 - 添加两个
MolecularDynamics 模块。 - 打开New Calculator窗口栏。选择ATK-Classical calculator中的Tersoff_SiC_1998势。
- 在IO部分选择一个合适的输出文件名，然后点击OK。
注意！
Tersoff_SiC_1998势和在[BS12]中使用的势很类似，但并不完全相同。如果您想要使用完全相同的势，您可以在这个脚本中找到：ion_bombardment.py。
在第一个
MolecularDynamics模块中，设置平衡态模拟参数如下图。
在平衡态计算过程中，轰击原子的位置应该固定。所以：
- 点击Add Constraints来打开Constraints窗口栏。
- 选中在表面上方的轰击原子并点击Add tag from Selection。
- 设置约束栏为Fixed并点击OK。
在第二个MolecularDynamics模块中，您应设置轰击模拟的基本参数：
- 选择 NVE Velocity Verlet类型。
- 设置步长为50000和100的更新间隔（log interval）。
- 为轨迹键入一个合适的文件名。
- 设置初始速度为Configuration velocities以在平衡后使用此速度。
- 点掉Remove center-of-mass momentum复选框。
- 减小time step为0.05 fs。
提示！
在这个模拟中的原子动能将会非常大。这就是为什么有必要选择一个相对小的时间步长（time step）来保证收敛。对于很高的入射能（>100eV），时间步长甚至必须减小到0.01fs。（参见[BS12]）。
- 使用 按钮将脚本送到
Editor。
修改脚本
为了使轰击原子以想要的动能达到表面，需要在脚本中进行一些修改。
- 在第二个MolecularDynamics紧前面，植入如下语句。
# Get the velocities from the bulk_configuration velocities = bulk_configuration.velocities() # Define the incident energy of the bombardment atom. incident_energy = 10.0*eV # Calculate the corresponding velocity and apply it to the last atom. incident_velocity = ((2.0*incident_energy/Carbon.atomicMass())**0.5).inUnitsOf(Ang/fs) velocities[-1, :] = [0.0, 0.0, -incident_velocity]*Ang/fs bulk_configuration.setVelocities(velocities)
小提示！
在本计算中速度矢量被设置为垂直于表面。任意角入射方向可以被视为在脚本中对速度矢量进行修改。
- 将脚本命名并保存，通过
JobManager或者在一个终端里运行模拟。 - 完成模拟之后您可以使用MovieTool或者
Viewer对轨迹可视化来检查损伤。
参考文献
[BS12] (1, 2, 3) Edson P. Bellido and Jorge M. Seminario. Molecular dynamics simulations of ion-bombarded graphene. J. Phys. Chem. C, 116(6):4044–4049, 2012.doi:10.1021/jp208049t.
本文翻译：王吉章