[論文レビュー] Effect of edge structures on elastic modulus and fracture of graphene nanoribbons under uniaxial tension

Qiang Lü, Rui Huang|arXiv (Cornell University)|Jul 19, 2010

Carbon Nanotubes in Composites参考文献 33被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、原子スケールのシミュレーションを用いて、一軸引張り下でのグラフェンナノリボンの弾性率および破壊挙動に及ぼす端部構造（アームチェア型およびジグザグ型）の影響を調査する。アームチェア型リボンは、エッジ制御型非均一核生成に起因し、ジグザグ型リボンよりも破壊ひずみが小さいことが判明した。一方、水素終止処理はアームチェア型リボンに顕著な影響を及ぼすが、ジグザグ型リボンにはほとんど影響を及ぼさない。エッジのヘリシティおよび幅は、ひずみに依存するエッジエネルギー効果を通じて、初期ヤング率に強く影響する。

ABSTRACT

Based on atomistic simulations, the nonlinear elastic properties of monolayer graphene nanoribbons under quasistatic uniaxial tension are predicted, emphasizing the effect of edge structures (armchair and zigzag, without and with hydrogen passivation). The results of atomistic simulations are interpreted within a theoretical framework of thermodynamics, which enables determination of the nonlinear functions for the strain-dependent edge energy and the hydrogen adsorption energy, for both zigzag and armchair edges. Due to the edge effects, the initial Young's modulus of graphene nanoribbons under infinitesimal strain varies with the edge chirality and the ribbon width. Furthermore, it is found that the nominal strain to fracture is considerably lower for armchair graphene nanoribbons than for zigzag ribbons. Two distinct fracture mechanisms are identified, with homogeneous nucleation for zigzag ribbons and edge-controlled heterogeneous nucleation for armchair ribbons. Hydrogen passivation of the edges is found to have negligible effect on the mechanical properties of zigzag graphene nanoribbons, but its effect is more significant for armchair ribbons.

研究の動機と目的

• 一軸引張り下でのグラフェンナノリボンの機械的応答に及ぼすエッジ構造（アームチェア型対ジグザグ型）の影響を理解すること。
• リボン幅およびエッジヘリシティが初期弾性率に与える影響を定量化すること。
• 水素終止処理が機械的性質および破壊メカニズムに与える影響を調査すること。
• 熱力学的および原子スケールのモデリングを用いて、エッジ種別に特徴的な破壊メカニズムを特定および区別すること。
• シミュレーションデータからひずみに依存するエッジエネルギー関数および水素吸着エネルギー関数を導出すること。

提案手法

• 一軸引張り下での準静的分子動力学シミュレーションを用いて、単層グラフェンナノリボンの機械的応答をモデル化する。
• リボン幅およびエッジ構造（アームチェア型、ジグザグ型、水素終止処理有無）を体系的に変化させる。
• 熱力学的フレームワークを適用してシミュレーション結果を解釈し、ひずみに依存するエッジエネルギーおよび水素吸着エネルギー関数を抽出する。
• 応力-ひずみ曲線の解析により、弾性率および破壊ひずみを決定する。
• 結合の切断を原子スケールで観察することで、破壊核生成部位およびメカニズムを同定する。
• ジグザグ型およびアームチェア型リボンの機械的挙動を比較することで、エッジ特有の影響を分離する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 エッジヘリシティ（アームチェア型対ジグザグ型）は、グラフェンナノリボンの初期ヤング率にどのように影響するか？
• RQ2 リボン幅は、弾性率および破壊ひずみにどのような影響を及ぼすか？
• RQ3 水素終止処理は、異なるエッジ構造を有するグラフェンナノリボンの機械的性質をどのように変化させるか？
• RQ4 アームチェア型およびジグザグ型グラフェンナノリボンにおける支配的破壊メカニズムは何か？
• RQ5 ひずみに依存するエッジエネルギーおよび水素吸着エネルギーは、変形に伴いどのように変化するか？

主な発見

• グラフェンナノリボンの初期ヤング率は、エッジヘリシティおよびリボン幅に強く依存しており、小径のリボンではアームチェア型エッジが低い剛性を示す。
• アームチェア型グラフェンナノリボンは、ジグザグ型リボンと比較して顕著に低い顕在的破壊ひずみを示し、リボン幅が小さくなるほど破壊ひずみが減少する。
• ジグザグ型リボンは均一核生成による破壊を示すが、アームチェア型リボンはエッジ制御型非均一核生成による破壊を示す。
• 水素終止処理はジグザグ型リボンの機械的性質にほとんど影響を及ぼさないが、アームチェア型リボンでは破壊ひずみを顕著に増加させ、破壊モードを変化させる。
• 本研究では、ひずみに依存するエッジエネルギーおよび水素吸着エネルギー関数を導出し、エッジ種別および変形に応じて体系的に変化することが分かった。
• アームチェア型リボンの破壊は、エッジ原子から開始され、強いエッジサイト感受性を示すのに対し、ジグザグ型リボンは破壊直前までより均一な応力分布を示す。