2021年07月23日，客服中心反饋安徽某大學(xué)的模擬需求，接到反饋后，材料檢測實驗室工程師第一時間與客戶進(jìn)行詳細(xì)溝通，情況如下：

客戶背景

客戶實驗結(jié)果是煤焦瀝青摻雜一定量的石墨烯（0.1%~10%）經(jīng)過高溫碳化后得到的材料，經(jīng)過一系列的處理后做成的電熱涂料，對比單純的瀝青高溫碳化后的樣品和摻雜了石墨烯后高溫碳化的瀝青發(fā)現(xiàn)，加入石墨烯的樣品電熱性能明顯提高。

樣品名稱

煤焦瀝青

客戶需求

預(yù)期的模擬計算結(jié)果：

1.瀝青摻入了1%G石墨烯制備出來的樣品導(dǎo)電性能最好，碳材料形貌重排，缺陷減少，碳層排列更規(guī)則。

2.瀝青摻入了1%G石墨烯制備出來的樣品載流子濃度高，載流子遷移率高，體積電阻率小。

解決方案

具體模擬過程細(xì)化為如下環(huán)節(jié)：

1.通過分子動力學(xué)(MD)研究瀝青結(jié)構(gòu)構(gòu)型變化，并建立評價指標(biāo)，用以定量描述規(guī)整程度。

首先建立初始模型，在盒子中心放置x、y維度具有周期性邊界的石墨烯，剩余空間以瀝青結(jié)構(gòu)進(jìn)行填充，至目標(biāo)密度0.76g/cm3，作為初始構(gòu)型1。初始構(gòu)型2在構(gòu)型1的基礎(chǔ)上移除石墨烯。此建模方式參照提供的文獻(xiàn)，并進(jìn)行了調(diào)整以適配該模擬體系。每種初始構(gòu)構(gòu)象選取10種，選取能量最低的模型做為初始構(gòu)象。對初始構(gòu)型進(jìn)行退火循環(huán)充分豫馳，而后進(jìn)行平衡的MD計算。最后由自己編寫的perl腳本實現(xiàn)苯環(huán)方向的收集，并依據(jù)文獻(xiàn)計算其取向函數(shù)(HOF)，評價其排列的規(guī)整程度。

2.密度泛函計算(DFT)分析態(tài)密度與能帶結(jié)構(gòu)及帶隙

一般來說，材料導(dǎo)電特性通常計算其態(tài)密度與能帶能隙來確定。載流子質(zhì)量、濃度、遷移率將由上述參數(shù)計算。該過程需要客戶另外提供文獻(xiàn)中應(yīng)用MS對其計算的相關(guān)文獻(xiàn)。我方以實現(xiàn)其模擬過程的復(fù)現(xiàn)。目前客戶并未提供相關(guān)材料，暫且只對該部分完成其態(tài)密度與能帶結(jié)構(gòu)及帶隙的計算。最終結(jié)果反饋為態(tài)密度圖、DOS/LDOS圖、能帶結(jié)構(gòu)與帶隙圖。

如需進(jìn)一步計算載流子遷移率及電導(dǎo)率，請?zhí)峁┫嚓P(guān)文獻(xiàn)及必要參數(shù)，否則計算精度難以保證。

詳細(xì)計算方案入下：

首先，采用碳化后的兩個煤焦瀝青分子中間摻入一個小片石墨烯作為初始模型1，同樣，初始模型2去除石墨烯。對分子幾何優(yōu)化后，進(jìn)行能量的計算，并對所得能量進(jìn)行分析計算后所得數(shù)據(jù)在origin里進(jìn)行繪制得到其態(tài)密度與帶隙。

客戶反饋

客戶對結(jié)果非常滿意，模擬結(jié)果與客戶預(yù)期相吻合。Material Studio 軟件Forcite模塊 進(jìn)行步長0.9fs總時長1000ps的分子動力學(xué)模擬，結(jié)果表明取向因子由0.153變?yōu)?.848，由無明顯取向變?yōu)槠叫杏谑@表明了碳材料形貌重排，缺陷減少，碳層排列更規(guī)則。三條線為s軌道，p軌道，與總的態(tài)密度(DOS)，就結(jié)果來說能隙從0.152到0.054eV導(dǎo)電性能變好了。