用于MXenes材料各向异性空位相互作用的多极模型

《ACS Applied Materials & Interfaces》：Multipolar Models for Anisotropic Vacancy Interactions in MXenes

二维MXenes中空位相互作用随距离变化规律及其多极子模型研究。通过分子静力学计算发现，近邻Ti空位间存在吸引相互作用，长程力表现为1/r2和1/r?的复合规律，与弹性半无限介质模型不同，且具有不同原子层堆叠和表面层结构的普适性。

　　

在二维（2D）MXenes的合成过程中，会形成原子尺度的缺陷，这些缺陷的相互作用及其在表面的迁移会导致其电子、催化或传感性能的空间分布发生变化。我们在这里研究了Ti_m+1C_m MXenes中空位的相互作用能，特别是这种相互作用能随空位间距r的各向异性变化。通过基于键序原子间势的分子静力学计算，我们揭示了MXenes中空位的应变介导的相互作用能及其空间依赖性。在短距离范围内，这些相互作用表现出吸引-排斥的振荡现象；当空位间距大于几个晶格常数时，我们可以将空位建模为平面内的力三极子和平面外的力偶极子，从而导致其相互作用遵循两种幂律关系（1/r²和1/r⁴）。这与生物膜上蛋白质的相互作用类似，而与弹性半无限介质表面的缺陷不同——后者的长程相互作用遵循1/r³的规律。空位相互作用的空间依赖性的起源是稳定的，这一点我们通过不同原子层堆叠方式、不同表面层（Ti或C）以及不同晶体学方向的空位进行了验证。根据具体的原子尺度细节，这里提出的双多极子模型可能适用于其他2D材料上的缺陷或吸附原子，或者可以对其进行调整以捕捉更复杂的相互作用。虽然我们关于幂律组合的结果可以通过对空位间距进行统计分析在未来实验中得到验证，但我们发现的最近邻Ti空位之间的吸引作用已经能够解释之前观察到的MXenes上Ti空位的聚集现象。