[論文レビュー] Carbon chains grown perpendicularly on graphene

Can Ataca, S. Çiraci|arXiv (Cornell University)|Dec 6, 2010

Graphene research and applications被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、グラファイト上での炭素原子の拡散と下部からの逐次挿入によって駆動される、垂直に整列した炭素原子鎖（CACs）の自己集合的成長に関する、第一原理的DFTに基づくメカニズムを提案する。主な結果として、CACsはグラファイト上に垂直に成長し、化学的活性が向上する。また、チタン（Ti）、コバルト（Co）、金（Au）などの遷移金属でキャップされると磁性機能を示すようになる。水素貯蔵やナノエレクトロニクスへの応用が期待される。

ABSTRACT

Based on first-principles calculations we predict a peculiar growth process, where carbon adatoms adsorbed to graphene readily diffuse above room temperature and nucleate segments of linear carbon chains attached to graphene. These chains grow longer on graphene through insertion of carbon atoms one at a time from the bottom end and display a self-assembling behavior. Eventually, two allotropes of carbon, namely graphene and cumulene are combined to exhibit important functionalities. The segments of carbon chains on graphene become chemically active sites to bind foreign atoms or large molecules. When bound to the ends of carbon chains, transition metal atoms, Ti, Co and Au, attribute a magnetic ground state to graphene sheets and mediate stable contacts with interconnects. We showed that carbon chains can grow also on single wall carbon nanotubes.

研究の動機と目的

• 炭素吸着原子がグラファイト上を拡散し、線形炭素鎖が核化する熱力学的および運動論的妥当性を調査すること。
• 原子が鎖の下端から逐次挿入されることで鎖が長くなるメカニズム、ならびに垂直配向を維持する仕組みを理解すること。
• 特にチタン（Ti）、コバルト（Co）、金（Au）、水素分子（H2）などの外部原子が結合する場合の、CACsの機能化可能性を調査すること。
• グラファイト-CACハイブリッドの安定性および電子的性質、特に磁性基底状態と電導度を評価すること。
• 成長メカニズムを単層カーボンナノチューブおよびグラファイトナノリボンに拡張し、端部成長と体積内成長の好みを評価すること。

提案手法

• プロジェクト化波関数（PAW）ポテンシャルと局所密度近似（LDA）を用いたVASPコードによる第一原理密度汎関数理論（DFT）計算。
• 2 fsの時間ステップと40ステップの正規化を用いた、第一原理有限温度分子動力学シミュレーションにより、熱的拡散と核化をモデル化。
• 全エネルギーと力の収束を保証するため、900 eVの運動エネルギー截半とMonkhorst-Pack kポイントサンプリングを用いる。
• 弱い結合系を含む過去の研究と比較するため、ファンデルワールス補正（DFT-D3）を含む。
• 周期的画像間の不自然な相互作用を避けるため、超格子幾何学的配置でセル間隔を11 Å以上に設定。
• 安定性と機能化効果を評価するため、結合エネルギー、磁気モーメント、電荷移動を計算。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 グラファイト上に存在する炭素吸着原子は、室温を超えて自発的に拡散し、C2ユニットを核化してより長い線形鎖へと成長するか？
• RQ2 鎖の下端から炭素原子が逐次挿入される背後にある駆動力は何か。これにより垂直成長が実現されるか？
• RQ3 CACの端に結合した外部原子（例：Ti、Co、Au、H2）は、グラファイト-CACハイブリッド系の磁気的および電子的性質にどのように影響を与えるか？
• RQ4 自己集合的成長メカニズムは、シングルウォールカーボンナノチューブやグラファイトナノリボンといった他の炭素同素体に対しても成立するか？
• RQ5 CACsの結合エネルギーと安定性は、孤立した炭素吸着原子またはグラファイト上での鎖と比較してどうなるか？

主な発見

• グラファイト上での炭素吸着原子は室温を超えて拡散し、C2ユニットを核化して、下部からの逐次挿入により垂直に整列した鎖へと成長する。
• 炭素吸着原子のグラファイト上での結合エネルギーは、線形CACの内包エネルギーを下回っており、鎖の成長を促す熱力学的駆動力が存在する。
• CACの端をチタン（Ti）、コバルト（Co）、金（Au）でキャップすると、グラファイト-CAC系に磁性基底状態が誘発され、それぞれ2.0、1.0、1.0 μBの磁気モーメントを示す。
• 水素分子はCACの端に結合する際に容易に解離するため、高い化学的活性を示し、水素貯蔵への応用が期待される。
• CACsは強い内包性を示し、小さなダイヤモンドやグラファイトクラスターと同等の結合エネルギーを示すため、構造的安定性が保証される。
• 成長メカニズムは単層カーボンナノチューブおよびグラファイトナノリボンへと拡張可能であり、特にジグザグ端部では最大8.77 eV/原子の高い吸着エネルギーを示す。