[論文レビュー] Bond Lengths of Single-Walled Carbon Nanotubes

Ali Nasir Imtani, V. K. Jindal|arXiv (Cornell University)|Nov 18, 2006

Carbon Nanotubes in Composites参考文献 5被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、Tersoffポテンシャルおよび対称性に基づく構造モデルを用いて、シングルウォールカーボンナノチューブ（SWNTs）における結合長の変動を調査した。その結果、エネルギー最小化には1つの結合長ではなく、2つの異なる結合長が必要であることが明らかになった。これは一般的に想定されている1つの結合長とは対照的である。2つの結合長の差はねじれの性質（chirality）およびチューブの直径に依存し、静水圧下では顕著な変化を示す。特に、2つの結合長が一致し、順序が逆転する臨界圧力が存在し、これが結合長の圧力依存的振るまいを用いた、ねじれと半径の実験的同定法の可能性を示している。

ABSTRACT

Results of the bond lengths for various chiralities of single-wall carbon carbon nanotubes (SWNTs) (armchair, zigzag and chiral) are obtained. We use modified helical and rotational symmetries to describe the structure of SWNTs and Tersoff potential to minimize the energy of these tubes. It emerges that in general, two bond lengths are required for obtaining minimum energy structure, in contrast to one bond length commonly used. The difference in bond lengths depends on chirality and radius of achiral tubes. Significantly, even a small deviation from zigzag or armchair character leads to interesting behavior of bond lengths. A reduction in diameter is responsible for difference in the bond lengths of achiral nanotubes. We also calculate the bond lengths under hydrostatic pressure. The behavior of bond lengths for armchair single-wall nanotubes when calculated under pressure shows that the larger bond length decreases faster with pressure in comparison to the shorter bond length. At some critical pressure (depending upon the radius of the tube), the two bond lengths become equal to each other, reversing their difference above this critical pressure. We suggest that this behavior can be exploited to experimentally determine the chirality and radius of the carbon nanotubes, for example by observing the presence and disappearance of modes typical of two different bond lengths. This change occurs only within a few GPa of pressure.

研究の動機と目的

• さまざまなねじれのシングルウォールカーボンナノチューブ（SWNTs）における結合長の変動を調査すること。
• エネルギー最小化に1つの結合長で十分なのか、あるいは複数の結合長が必要なのかを特定すること。
• チューブの直径およびねじれが結合長の差に与える影響を検討すること。
• アームチェア型SWNTsにおける結合長の圧力依存的挙動と、構造同定へのインパクトを調査すること。
• 圧力誘発の結合長特性変化を用いて、SWNTsのねじれと半径を実験的に同定する手法を提案すること。

提案手法

• さまざまなねじれを有するSWNTsの原子構造をモデリングするため、修正されたヘリカル対称性および回転対称性を用いた。
• 系の全エネルギーを最小化し、平衡結合長を特定するためにTersoffポテンシャルを適用した。
• チューブの直径およびねじれを体系的に変化させ、その結果生じる結合長の差を分析した。
• エネルギー最小化を圧力下で実行することで、アームチェア型SWNTsにおける静水圧の影響をシミュレートした。
• 圧力の増加に伴う2つの結合長の変化を追跡し、臨界遷移点を特定した。
• 結合長の収束および逆転を、構造同定のための実験的シグネチャーとして用いた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非理想的なねじれを有するSWNTsでは、最小エネルギー状態を達成するために1つの結合長ではなく複数の結合長が必要となるのか？
• RQ2 アキラルなSWNTsのねじれおよび直径に応じて、結合長の差はどのように変化するか？
• RQ3 アームチェア型SWNTsにおいて、静水圧が増加する条件下で2つの結合長はどのように変化するか？
• RQ4 結合長の差が逆転するのはどの圧力で発生し、それが構造プローブとして利用可能か？
• RQ5 2つの異なる結合長の間の圧力誘発遷移は、実験的に観測可能であり、ナノチューブのねじれと半径の同定に利用可能か？

主な発見

• エネルギー最小化にはSWNTsにおいて2つの異なる結合長が必要であり、これは一般的に想定されている1つの結合長とは対照的である。
• 結合長の差はチューブの直径が小さくなるにつれて増大し、特にアキラルなチューブで顕著である。
• アームチェア型やジグザグ型からのわずかなずれで、測定可能な結合長の差が生じる。
• 静水圧下では、アームチェア型SWNTsにおける長い結合長が短い結合長よりも速く減少する。
• 臨界圧力（チューブの半径に依存）に達すると、2つの結合長が一致し、順序が逆転する。この遷移は数ギガパスカルの圧力範囲内で発生する。
• この圧力誘発逆転は、2つの結合長に関連する異なる振動モードの出現および消滅を観測することで、ねじれと半径の同定に実験的手法として利用可能である。