[論文レビュー] A Study on Silicon Nanotubes based on the Tersoff potential

Jeong Won Kang, Jae Jeong Seo+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 2, 2002

Mechanical and Optical Resonators参考文献 1被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、Tersoffポテンシャルに基づく古典的分子動力学シミュレーションを用いてシリコンナノチューブを調査した。その結果、体積結晶シリコンよりも結合エネルギーは高いが、グラフェン様シートをチューブに曲げるのに必要な弾性エネルギーは低いことが判明した。結果から、特にsp³結合比率の高い、sp²とsp³の混合結合を持つシリコンナノチューブはエネルギー的に有利であり、形成されやすいと示唆され、マルチウォール構造の可能性が示された。

ABSTRACT

This study showed the structures and the thermal behaviors of Si nanocages and nanotubes using classical molecular dynamics simulations based on the Tersoff potential. For hypothetical Si nanotubes based on the Tersoff potential, Si-Si bond length, cohesive energies per atom, diameters, and elastic energy to curve the sheet into tube were in good agreement with those obtained from previous density-functional theory results. Most of the structures, which were obtained from the SA simulations for several initial structures with diamond structure, have included encaged, tubular, or sheet-like structures and have been composed of both sp3 and sp2 bonds. The cohesive energies per atom for silicon nanotubes were higher than that for the Si bulk in the diamond structure, and this implies the difficulty in producing silicon nanotubes or graphitelike sheets. However, since the elastic energy per atom to curve the sheet into tube for silicon atoms is very low, when graphitelike sheets of silicon are formed, the extra cost to produce silicon nanotubes is also very low. When silicon nanotubes are composed of both sp2 and sp3 bonds and the ratio of sp3 to sp2 is high, since the probability of the existence of silicon nanotubes increases, silicon nanotubes similar to multi walled structures are anticipated.

研究の動機と目的

• 古典的分子動力学を用いてシリコンナノチューブの構造的安定性および熱的挙動を調査すること。
• 体積結晶構造をとるシリコンと比較して、シリコンナノチューブを形成するエネルギー的妥当性を評価すること。
• sp²およびsp³混在結合が、シリコンナノチューブの安定性および形成確率に与える影響を評価すること。
• 結果の妥当性を確認するため、先行する密度汎関数理論の結果と比較すること。
• マルチウォール構造またはチューブ状のシリコンナノ構造が形成されやすい条件を探索すること。

提案手法

• シリコンナノチューブおよびナノケージをモデル化するために、Tersoffポテンシャルを用いた古典的分子動力学シミュレーションを実施した。
• 構造的進化を調査するため、異なる幾何学的形状を有する体積結晶構造シリコンから得た初期構造を用いた。
• 体積結晶シリコンと比較した熱力学的安定性を評価するため、原子あたりの結合エネルギーを計算した。
• 2次元シリコンシートをナノチューブに曲げるのに要する弾性エネルギーを評価し、形成コストを定量化した。
• 構造的好みを理解するため、結合ハイブリダイゼーション（sp²対sp³）およびそれらの比率を分析した。
• 結合長、エネルギー、直径の観点から、先行する密度汎関数理論のデータと結果を一致させることで妥当性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Tersoffポテンシャルによって予測されるシリコンナノチューブの構造的およびエネルギー的特性は何か？
• RQ2 シリコンナノチューブの結合エネルギーは、体積結晶構造をとるシリコンと比べてどうか？
• RQ3 2次元シリコンシートをナノチューブに曲げるのに要する原子あたりの弾性エネルギーはどの程度か？
• RQ4 sp²およびsp³結合比率は、シリコンナノチューブの安定性および形成確率にどのように影響するか？
• RQ5 シミュレーション結果は、先行する密度汎関数理論の予測とどの程度一致するか？

主な発見

• Tersoffポテンシャルのシミュレーションにより、混合sp²およびsp³結合を持つ、封入構造、チューブ状、シート状の構造が得られた。
• シリコンナノチューブの原子あたりの結合エネルギーは、体積結晶構造シリコンよりも高かった。これは、形成にあたって熱力学的に不安定であることを示唆している。
• 2次元シリコンシートをナノチューブに曲げるのに要する原子あたりの弾性エネルギーは非常に低く、曲げに伴うエネルギー的ペナルティが小さいことが判明した。
• sp³結合比率が高いシリコンナノチューブは、形成確率が向上し、安定したマルチウォール構造に類似した構造を形成しやすい傾向にあった。
• シミュレーションから得られた結合長、直径、および結合エネルギーは、先行する密度汎関数理論の結果と良好に一致した。
• 低曲率エネルギーは、グラフェン様シリコンシートが形成された後、それらをナノチューブに変換する際に追加のエネルギーコストが最小限に抑えられることを示唆している。