北航周苗教授团队研发多维材料离子辐照原子尺度模拟平台ASIM

近日，北京航空航天大学（以下简称“北航”）周苗教授团队在多维材料离子辐照模拟平台研发方面取得新进展。论文《研发多维材料离子辐照原子尺度模拟平台ASIM》（ASIM：An atomic-scale simulation framework for ion irradiation on multi-dimensional materials）已于2026年8月被物理数学领域国际顶级期刊《计算机物理通讯》（Computer Physics Communications）收录，论文第一作者为北航国新院博士后、河南科技大学副教授Ke Xu（许珂）。

题图 ASIM多维材料离子辐照模拟应用

该研究推出开源框架ASIM（Atomic-scale Simulation on Ion Irradiation of Matter）。ASIM以两体碰撞近似（binary collision approximation，BCA）为基础，采用高性能Julia语言开发，可在保持原子尺度结构描述的同时，能够对从微米级三维体材料到纳米级二维、一维和零维结构及其组合体系开展全级联离子辐照模拟。程序采用GPLv2许可。

离子注入和离子束辐照是半导体掺杂、缺陷调控以及极端环境材料研究的重要手段。随着研究对象由传统三维体材料不断延伸至石墨烯、六方氮化硼、碳纳米管和富勒烯等低维纳米材料，模拟工具需要同时处理更复杂的几何形态、更广的空间尺度以及基底、曲率和局域缺陷环境带来的影响。

从头算分子动力学和经典分子动力学能够提供细致的动力学信息，但在大尺度、高入射能量或高通量统计场景中计算成本迅速增长；传统BCA程序则多针对非晶介质或特定三维晶体，扩展到低维和组合结构时受到限制。团队此前开发的首套聚焦二维材料离子辐照模拟程序I2DM[T. Li, et al., Comput. Phys. Commun. 308 (2025) 109445.]，为原子尺度辐照行为高效模拟奠定了基础。ASIM在此基础上将适用范围拓展至3D/2D/1D/0D多维体系，并进一步打通纳米至微米尺度，是I2DM由二维专用平台迈向多维、跨尺度通用框架的重要拓展。

多维统一：同一框架覆盖3D至0D及组合体系

ASIM的靶材料模块既可依据晶格矢量生成理想晶体，也可从外部结构文件导入任意原子构型。三维体材料、二维层状材料、一维和零维纳米结构以及支撑型、复合型几何体系均可由同一套输运与级联求解器处理，避免为不同维度重复开发彼此割裂的计算流程。

高效率：原子分辨率与现实尺度兼顾

框架以BCA求解核阻止，以半经验模型描述电子阻止，并显式考虑多靶原子的同时碰撞。结合链接单元搜索以及静态、动态两种靶原子加载方式，ASIM能够在级联附近保留必要的原子细节，同时控制大体系的内存占用。

在论文给出的单核代表性测试中，ASIM单次入射的CPU时间处于微秒至毫秒量级，相比经典分子动力学可加速约7个数量级；动态加载模式下，约10⁹个原子的三维靶仅需5.48GB内存，而论文估算同尺度完整MD约需500GB。

高灵活性：把复杂条件写成简洁的Julia规则

ASIM采用模块化架构，由靶材料、参数和辐照场景等输入模块、核心输运与级联求解器以及监测与输出模块组成。用户可以设置离子种类、能量、剂量、方向、入射位置以及独立或连续辐照模式，也可通过Julia函数编排多步骤、混合离子或能量递变等流程，并自定义分析量和统计输出。

对于决定原子是否离位的阈值能，框架支持按元素统一赋值、按局域缺陷环境赋值，以及用户自定义Julia函数三种模式。自定义函数可依赖原子位置、反冲方向、局域环境等描述量，因此能够自然表达环境依赖和各向异性位移阈值，而无需修改核心求解器。

图1 ASIM模块化设计

可靠验证：跨维度、跨场景保持一致预测能力

研究团队仅改变输入文件、保持内部代码不变，系统验证了三维Si、悬浮和带衬底石墨烯、h-BN、碳纳米管以及C₆₀富勒烯等体系。模拟结果与实验二次离子质谱（SIMS）数据及分子动力学结果总体上吻合良好，表明同一框架能够在体材料与低维纳米结构之间保持可靠的预测能力。

三维硅：从掺杂深度到辐照损伤反馈

在Si(100)离子注入算例中，ASIM对不同能量下硼的深度分布、不同倾角下的沟道效应，以及不同注量下硼、磷分布的非线性演化进行了模拟。所得剖面与已有SIMS实验数据吻合良好，并再现了缺陷累积和非晶化对后续离子输运的反馈。

图2 Si(100)离子注入ASIM模拟（虚线为SIMS实验测量值）

二维材料：同时处理自由表面、基底和局域缺陷环境

对于悬浮石墨烯和具有Au(111)衬底石墨烯，ASIM得到的He、Ar辐照溅射产额与MD结果良好一致，并可进一步区分离子背散射、Au反冲、自反射和注入等贡献，揭示基底为何会改变溅射峰值及其能量位置。对于h-BN，高注量辐照算例显示，采用环境依赖离位阈值能够更细致地描述单空位向空位团簇的演化。

一维与零维结构：曲率相关阈值和原子封装窗口

在（10,10）碳纳米管辐照模拟中，C原子向外与向内离位采用不同阈值后，ASIM给出的Ar辐照溅射曲线与MD结果几乎重合；框架还可统计不同惰性气体离子的管内封装、外壁吸附和结构损伤概率，为寻找兼顾高封装率与低破坏的能量窗口提供依据。论文补充材料中的C₆₀富勒烯算例则进一步验证了框架对零维结构的适用性。

图3 ASIM低维材料辐照模拟与分子动力学结果对比

凭借多维统一、计算高效和规则可编程等特点，ASIM可用于解释、优化和设计离子辐照驱动的缺陷工程策略，包括半导体化学掺杂、纳米孔制备、原子封装以及新型纳米器件的辐照条件筛选。其开源和模块化实现也便于用户面向具体材料与实验条件扩展模型、输出和工作流。

论文还指出，ASIM可进一步与动力学蒙特卡罗、机器学习模型等外部模块耦合，用于研究更长时间尺度或更复杂的辐照机制。该工作为连接原子尺度碰撞过程、现实尺寸材料体系与实验可观测量提供了新的高效计算工具，有望用于评估材料在极端环境（如核辐照、太空等）的服役行为，以及半导体工艺与器件计算机辅助设计TCAD等领域。