揭示石墨烯AB-BA转变：新GPU加速建模展示隐藏机制

来自 实验室仪器网

新的GPU加速建模揭示了石墨烯AB-BA转变背后的隐藏机制及其冻结的缺陷。新研究提出了一个计算模型，追踪双层石墨烯堆叠域的形成与演变，揭示了AB和BA区域如何移动、稳定并被缺陷固定。

通过将广义堆积故障能量（GSFE）势集成到结构相场晶体（PFC）框架中，研究人员提供了一种可扩展的缺陷动力学研究方法。

堆叠顺序强烈影响双层石墨烯的电子性质，其中AB（伯纳尔）堆叠是最稳定的构型。原子方法可以忠实捕捉这种行为，但通常计算量过大，不适合大规模研究。然而，更传统的连续介质模型缺乏描述堆叠能量和缺陷形成所需的分辨率。

团队的新框架通过整合来自GSFE的电位，捕捉上层石墨烯层与固定底层之间的相互作用，弥合了这一空白。

它使模型能够以原子级的保真度模拟AB-BA域边界，同时保持长期时间尺度的效率。预测的边界宽度与分子动力学（MD）模拟及先前发表的STEM测量结果一致。研究人员通过添加基于第一性硅胶干扰效应数据的底层相互作用势能，扩展了结构PFC模型。

模拟可从随机相场或预定义的AB和BA区域初始化，从而实现对带状结构域和圆形堆叠包裹体的受控研究。外部势强通过匹配多边界方向MD模拟获得的过渡宽度进行校准。快速傅里叶变换（FFT）求解器和基于CUDA的GPU加速带来了比CPU实现提升近两个数量级的性能提升，使得大域和长时模拟变得切实可行。

在带状几何中，AB-BA边界的厚度随方向系统性变化，这一趋势与原子建模一致。当一种堆叠阶的圆形区域嵌入另一层时，它们演变为六边形或三角形，而非直接坍缩。这些形状的顶点由局部五到七个碳环缺陷锚定，这些缺陷固定了边界并稳定了结构域。

当AB与BA之间的平滑过渡初始化时，中心区域以曲率驱动速率收缩，符合理论上对恒定移动率边界运动的预期。这表明模型能够同时捕捉稳态结构和通常超出原子方法覆盖的缓慢扩散过程。综合来看，这些结果展示了堆叠边界如何形成、迁移并被锁定。这些行为最终影响双层石墨烯的机械和电子响应。

该研究提出了一个定量校准的PFC框架，能够以原子细节和连续介质尺度的效率模拟AB–BA转变及相关缺陷结构。通过匹配MD基准测试的接口宽度并利用GPU加速，该模型为研究双层石墨烯的微观结构演化提供了实用平台。虽然该技术主要针对双层石墨烯，但对于堆叠能量和缺陷钉扎在其他层状材料中具有潜在意义。

其原子基地与计算可扩展性的结合，在未来研究二维系统中微观结构驱动性质时可能具有价值。

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