[論文レビュー] Avoidance and Coalescence of Delamination Patterns

Zoe Budrikis, Alessandro Luigi Sellerio+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 31, 2014

Advanced Materials and Mechanics参考文献 49被引用数 8

ひとこと要約

本研究では、パターン加工された基板上におけるグラフェンの剥離ひびわれ回避および融合の普遍的メカニズムを調査するために大規模な分子動力学シミュレーションを用いる。長距離弾性応力場をモデル化することで、著者らはひびわれ同士の相互作用的反発が応力の重ね合わせに起因することを明らかにした。これにより融合が防がれ、このメカニズムはスケールに依存せず普遍的であり、グラフェンおよび地膜における実験的観察を説明する。

ABSTRACT

Delamination of coatings and thin films from substrates generates a fascinating variety of patterns, from circular blisters to wrinkles and labyrinth domains, in a way that is not completely understood. We report on large-scale numerical simulations of the universal problem of avoidance and coalescence of delamination wrinkles, focusing on a case study of graphene sheets on patterned substrates. By nucleating and growing wrinkles in a controlled way, we are able to characterize how their interactions, mediated by long-range stress fields, determine their formation and morphology. We also study how the interplay between geometry and stresses drives a universal transition from conformation to delamination when sheets are deposited on particle-decorated substrates. Our results are directly applicable to strain engineering of graphene and also uncover universal phenomena observed at all scales, as for example in geomembrane deposition.

研究の動機と目的

• グラフェンを含む薄膜における剥離ひびわれの回避および融合の普遍的物理的メカニズムを理解すること。
• 長距離弾性応力場が剥離したひびわれ間の相互作用をどのように媒介するか、ならびにその形態と安定性に与える影響を調査すること。
• 基板の幾何学的形状および自由端が横方向運動および非融合挙動を可能にする役割を特定すること。
• ナノ粒子で修飾された基板上におけるグラフェンの実験データとモデルを照合すること。
• 粒子で修飾された基板上におけるグラフェンシートのコンフォーマル状態から剥離状態への遷移を探索すること。

提案手法

• 炭素-炭素相互作用にAIREBOポテンシャルを用いたLAMMPSシミュレーションパッケージを用いた粗粒化分子動力学モデルを構築した。
• 2つの基板モデルを用いた：(A) レンナード・ジョーンズポテンシャル（ε=0.04 eV, σ=0.1 nm）を用いた連続体的垂直壁、および (B) C-Si 相互作用にTersoffポテンシャルを用いた原子論的Si単結晶。
• 系は共役勾配法によるエネルギー最小化で初期化され、その後、熱化と粘性減衰を伴う制御された接近によって平衡状態に到達した。
• 理想的なガウス型ひびわれプロファイルを解析的にモデル化し、補助関数χを用いて面内応力を計算した。χは曲率依存項を含む双調和方程式を満たす。
• 相互作用するひびわれ間の長距離応力重ね合わせを評価するために、応力場トレース（σxx + σyy）を数値的に計算した。
• 周期的境界条件を用い、140×140 nm²のグラフェンシートでシミュレーションを実施。時間刻みは1 fs、300 KのBerendsen thermostatを用いた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 実験的およびシミュレーション的に観察されたグラフェンにおける剥離ひびわれの回避を支える物理的メカニズムは何か？
• RQ2 長距離弾性応力場は剥離したひびわれ間の相互作用をどのように媒介するか？ そして、それらが融合するか分離したまま保たれるかを決定するのは何か？
• RQ3 グラフェンシートの自由端が非融合挙動に必要な横方向運動をどの程度可能にするか？
• RQ4 特に粒子で修飾された表面が、コンフォーマル接触から剥離への遷移にどのように影響するか？
• RQ5 観察されたひびわれ回避は、異なる材料およびスケールにおいて普遍的現象と見なせるか？

主な発見

• ひびわれ対は、長距離応力場の重ね合わせによって生じる反発的相互作用により融合を回避する。
• 単一の理想的なガウス型ひびわれからの応力場は距離rの−2乗に比例して減衰し、顕著な長距離影響を持つことを示した。
• シミュレーションは、ナノ粒子基板上におけるグラフェンひびわれの実験的非融合挙動を再現し、モデルの妥当性を裏付けた。
• 自由端は横方向運動に不可欠である。自由端がなければ、実験的に観察された回避ダイナミクスを正しくモデル化できない。
• 長方形領域におけるひびわれの融合を誘発することで、ひずみ工学への道筋が示唆された。
• 粒子で修飾された基板上でのコンフォーマル接触から剥離への遷移は、幾何学的形状と応力場の相互作用によって駆動され、普遍的なスケーリング行動が観察された。