[論文レビュー] Irida-Graphene: A New 2D Carbon Allotrope

M. L. Pereira Junior, Wiliam Ferreira da Cunha+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 18, 2022

Graphene research and applications被引用数 21

ひとこと要約

本論文は Irida-Graphene を提案し、二次元の全 sp2 炭素の同素体で、融合した 3-6-8 環から成る。DFT と ReaxFF MD を用いて構造、機械的、電子的、光学的特性を分析する。

ABSTRACT

Several 2D carbon-based materials have been computationally designed in the last years due to the success achieved by graphene. Here, we propose a new 2D all-sp$^2$ carbon allotrope, named Irida-Graphene (IG), using a bottom-up approach. IG is composed of fused rings containing 3-6-8 carbon atoms. We employed density functional theory calculations and reactive (ReaxFF) molecular dynamics simulations to examine its mechanical, structural, electronic, and optical properties. Results showed that IG exhibits good dynamical and thermal stabilities. Its estimated elastic modulus varies between 80-113 GPa. IG is a metallic material and presents a Dirac cone above the Fermi level in the center of the band. The intense optical activity of IG is restricted to the infrared and violet regions. IG can act as a violet collector for photon energies of about 3.0 eV since it presents very low reflectivity and refractive index greater than one.

研究の動機と目的

• グラフェンを超える新しい2D炭素同素体の設計を、非六員環と多孔構造を探索することで動機づける。
• 3-6-8 環が融合した二次元全 sp2 炭素シートである Irida-Graphene (IG) を、下からの設計候補として紹介する。
• IG の構造的安定性、機械的性能、電子構造、および光応答を特徴づけ、潜在的な応用を評価する。

提案手法

• SIESTA コードを用いた第一原理密度汎関数理論（DFT）計算を、GGA-PBE交換関連とノーム保存ポテンシャルを用いて実行する。
• IG の几何を2D単位胞（12 個炭素原子）で最適化し、準安定性のため振動分散を解析する。
• 電子帯構造と状態密度を計算し、金属性とDirac特性を同定する。フェルミ準位より上の Y 点に Dirac コーンがあることを含む。
• 300 Kでボーン=オッペンハイマー AIMD シミュレーションを実施し、熱安定性と平面性を検証する。
• 反応性（ReaxFF）分子動力学を用いて、単軸張力による機械特性を評価し、破壊パターンと最大熱安定性を最大 10,000 K まで調べる。
• 誘電関数から外部電場下の光学係数（吸収、屈折率、反射率）を推定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Irida-Graphene は2D炭素材料として一般条件下で動的および熱的に安定か。
• RQ2 IG の平面内荷重下での機械特性と破壊挙動はどうなるか。
• RQ3 IG は金属性電子構造を示し、Dirac コーンはどこにあるのか。
• RQ4 IG の光学特性はどのようで、光子エネルギーと偏光によりどう変化するか。

主な発見

• IG は正のフォノン周波数を持つ動的に安定しており、虚数モードはなく； AIMD は 300 K で平面に結合した構造を示す。
• IG は平面内異方性のエラスティシティを示し、Young’s moduli YmX = 80 GPa および YmY = 113 GPa; 破壊ひずみ 15.4% (x) および 18.0% (y); 極限強度 47.4 GPa (x) および 95.1 GPa (y)。
• IG は金属性でバンドギャップなし。 Dirac コーンはフェルミ準位より上の Y 点にあり、価電子は主に 2p_z 軌道からなる。
• IG の光学活性は赤外および紫色領域で強い。吸収ピークは約 1.0 eV (IR) および約 3.0 eV (violet)；屈折率のピークは約 0.7 eV で、反射率は約 3.0 eV で低いが、紫色で約5%、赤外で約50%。
• IG の融点は 4176 K、5500 K で完全に融解する。IG は融解挙動でグラフェンと比較可能な高い熱安定性を持つ。