、[1ˉ1ˉ2
和[111
晶向 ， 沿x、y和z方向排列 。 薄膜层共有24个C60分子 。 四个沿x方向 ， 六个沿y方向 。 由单个石墨烯层限制的单个C60膜层组成的三明治结构系统的松弛尺寸为37.67? × 48.37? × 12.7? 。 石墨烯层上的错配应变不超过ε=0.005 ， C60薄膜不超过ε=0.028 。 组合结构在P=0.1GPa和T=100K时松弛 ， 30000时间步长为1 fs 。 石墨烯层以9 x 20个单元的扶手椅/锯齿形层定向 。 在x和y方向上应用周期性边界条件 。 非周期性z方向用于施加载荷并研究夹层结构的摩擦学特性 。 金刚石基板和摩擦探头均以[1ˉ10
、[1ˉ1ˉ2
和[111
晶体方向沿x、y和z方向排列 。 为了给基材引入粗糙度 ， 我们使用正弦函数Rmaxsin(2πy/48.31)的值切割完美的金刚石表面 ， 最大轮廓高度（峰高减去谷深）Rmax =0?、2.5?和5? .这会生成沿y方向平均粗糙度为0?、1.59?和3.18?的表面 。 金刚石摩擦探头具有Ra=0?的粗糙表面 。 表面粗糙度还取决于特征长度 ， 由表面峰之间的距离定义 ， 此处均为48.37? ， 即系统在y方向的大小 。 通过增加特征长度 ， 我们预计摩擦特性将介于粗糙和扁平情况之间 ， 并最终过渡到非常大的特征长度的扁平情况 。
通过沿[101ˉ0
y方向滑动探针来研究摩擦 。 摩擦力是用公式计算的 。 (2):(2)FL=μFN+F0 ， 其中FL为摩擦力 ， μ为摩擦系数 ， FN为外加法向力 ， F0为FN=0时的偏移摩擦力 。
在我们将夹层结构与金刚石基板和探针结合后 ， 我们使用NPT系综以P=0.1GPa和T=300K对系统进行松弛 ， 以1 fs的30000时间步长进行 。 随后通过执行能量最小化来松弛系统 ， 以获得系统的松弛大小 。
在执行摩擦模拟之前 ， 我们在不同载荷下平衡夹层系统以生成初始系统 。 在这第一个（加载）步骤中 ， 我们通过逐渐添加1GPa直到系统失效 ， 即通过在石墨烯和C60分子之间或C60分子之间产生键来连续压缩初始松弛系统 。 在通过运行80000 MD步骤进一步增加压力之前 ， 允许每个模型在每个压力值下达到平衡 。 我们还执行类似的卸载模拟 ， 通过逐渐去除1GPa直到系统达到0.1GPa来连续解压系统 。 用于加载和卸载模拟的时间步长为1 fs（表面粗糙度0?）和0.5 fs（表面粗糙度2.5?和5?） 。 我们为粗糙表面的模拟选择了较小的时间步长 ， 以保证模拟过程中运动方程积分的稳定性 。 初步模拟表明 ， 粗糙的表面特征会产生高度局部化的应力分布 ， 这可能会在某些需要较小时间步长的原子上产生较大的力 。 通过对具有不同载荷值的样品执行一系列滑动模拟来评估摩擦力 。 初始结构是从压力加载模拟中获得的结构 。 金刚石表面的顶层设置为沿石墨烯表面的[101ˉ0
方向以0.2?/ps的固定速度移动 。 我们仍然对表面粗糙度0?使用1 fs的时间步长 ， 对表面粗糙度2.5?和5?使用0.5 fs的时间步长 。 我们应用朗之万恒温器在所有加载、卸载和滑动模拟过程中将温度保持在T=300K 。 我们使用两种独立的方法量化C60分子的变形 ， 即C60半径应变εr和C60体积应变εv 。 εr由方程给出 。 (3) 。 (3)εr=160∑i=160|ri?ri0|ri0其中ri是C60分子中第i个碳原子到分子质心的距离 ， ri0是参考系中的ri值 ， 即C60分子在0.1GPa平衡 。 εv由方程给出 。 (4).(4)εv=1?r3r03其中r=160∑i=160ri是C60分子的平均半径 ， r0是初始参考C60分子的平均半径 ， 在0.1GPa平衡 。 可视化是使用Ovito完成的 。 我们还使用Ovito来监控键数量的演变以及整个系统不同部分之间新键的形成 。
3.结果
3.1.压缩模拟的机械性能
为了理解夹层结构的摩擦学特性 ， 在所考虑的整个压力载荷范围内描述整个结构的机械性能是很重要的 。 特别是 ， C60分子形状的变化预计会影响机械和摩擦学性能 。 在评估压缩下的机械性能之前 ， 我们准备了不同夹层结构的松弛配置 ， 如上一节所述 。 图1显示了在0.1GPa的低载荷下松弛的三个初始夹层结构 。 低负载值仅用于限制非周期系统 。 顶部金刚石板的红色原子是接收加载压力的原子 ， 并且是在滑动模拟过程中以恒定速度移动的原子 。 在所有模拟过程中 ， 底部金刚石板的黑色原子都固定在其位置上 。 金刚石板的深绿色和浅绿色原子以及石墨烯和C60原子（分别以灰色和蓝色显示）都可以自由移动 。
图1.模拟的初始夹层结构模型的图示 。 这些模型由两个石墨烯层组成 ， 限制了C60 FCC单层 ， 如(a)所示 。 如图（b）-（d）所示 ， 夹层被放置在两块金刚石板之间 。 上金刚石板的限制(111)表面是平坦的 。 下方的金刚石板有一个具有不同粗糙度水平的限制(111)表面：(b) Rmax=0?、(c) 2.5?和(d) 5? 。 不同的颜色表示模型中不同的原子组 。 上下菱形板中的红色和黑色区域表示如文中所述控制运动的区域 。（可以在线查看此图的彩色版本 。 ）
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