[論文レビュー] Magic Graphene Clusters Formation in the graphene CVD growth process on Ru and Rh

Junfeng Gao, Feng Ding|arXiv (Cornell University)|Jul 14, 2017

Graphene research and applications被引用数 27

ひとこと要約

本研究は、C21コアと3つのダングリング炭素原子を有する炭素クラスターC21-3Cが、ルーテニウム(0001)またはイリジウム(111)表面で安定化された状態で、グラフェンの化学蒸着法(CVD)成長中に極めて安定であることを明らかにした。Ab initio計算と運動論的解析により、このクラスターは21〜27炭素原子のサイズ範囲で最も安定であることが示され、これらの触媒表面上での超安定グラフェン核の実験的観察を説明できる。

ABSTRACT

To improve atomically controlled chemical vapor deposition (CVD) growth of graphene, understanding the evolution from various carbon species to a graphene nuclei on various catalyst surfaces is essential. Experimentally, an ultra-stable carbon cluster on Ru(0001), Rh(111) surfaces was observed, while its structure and formation process were still under highly debate. Using ab initio calculations and kinetic analyses, we disclosed a specific type of carbon clusters, composed of a C21 core and a few dangling C atoms around, were exceptional stable in the size range from 21 to 27. The most stable one of them, an isomer of C24 characterized as three dangling C atoms attached to the C21 (denoted as C21-3C), is the most promising candidate for the experimental observation. The ultra-stability of C21-3C originates from both the stable core and the appropriate passivation of dangling carbon atoms by the catalyst surface.

研究の動機と目的

• ルーテニウム(0001)およびイリジウム(111)表面におけるCVDグラフェン成長過程での超安定炭素クラスターの形成メカニズムを理解すること。
• グラフェン核生成における実験的に観察された炭素クラスターの構造と安定性について長年の議論を解消すること。
• 21〜27原子のサイズ範囲で実験的観察と一致する最も安定な炭素クラスター構造を同定すること。
• 触媒表面がダングリング炭素原子をどのように安定化させるかの役割を解明すること。
• クラスター工学を用いた原子レベル制御のグラフェン成長を実現する理論的基盤を提供すること。

提案手法

• 炭素クラスターの電子的および構造的性質を計算するため、密度汎関数理論(DFT)計算を用いた。
• 21〜27炭素原子範囲のさまざまなクラスター異性体の熱力学的および運動論的安定性を評価するための運動論的解析を実施した。
• 触媒表面によるダングリング炭素原子のパスファイケーション効果を評価し、安定化効果を分析した。
• 異なるクラスター構造の内積エネルギーおよび生成エネルギーを比較し、最も安定な異性体を同定した。
• クラスターの幾何的最適化および振動モード解析を用いて、構造的安定性を確認した。
• 予測されたクラスター構造が、CVD法で成長したグラフェンにおける超安定核の実験的観察と整合することを検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CVDグラフェン成長において、ルーテニウムおよびイリジウムの表面で21〜27原子の炭素クラスターの中で最も安定な構造は何か？
• RQ2 ルーテニウム(0001)およびイリジウム(111)表面は、グラフェンクラスター内のダングリング炭素原子をどのように安定化させるか？
• RQ3 理論的にはより反応性が高そうにもかかわらず、なぜ特定の炭素クラスターが実験的に超安定核として観察されるのか？
• RQ4 C21コアは他のクラスター構造と比較して、なぜクラスター安定性を高めるのか？
• RQ5 触媒表面によるダングリング炭素原子のパスファイケーションは、クラスター全体の熱力学的安定性にどのように影響するか？

主な発見

• C21コアに3つのダングリング炭素原子を有するC21-3Cクラスターは、21〜27炭素原子のサイズ範囲で最も安定な異性体である。
• C21-3Cの超安定性は、極めて安定なC21コアと、触媒表面によるダングリング炭素原子の効果的パスファイケーションの相乗効果に起因する。
• Ab initio計算により、C21-3Cはこのサイズ範囲のすべての異性体の中で最小の生成エネルギーを示し、熱力学的優位性が確認された。
• 運動論的解析により、C21-3Cは熱力学的に安定であるだけでなく、CVD成長プロセスにおいても運動論的に到達可能であることが確認された。
• 触媒表面によるダングリング炭素原子のパスファイケーションは、表面エネルギーを顕著に低減し、クラスターの分解を防止する。
• 理論的予測としてのC21-3Cの最も安定なクラスター構造は、ルーテニウムおよびイリジウム基板上でのCVD法で成長したグラフェンにおける超安定核の実験的観察と一致する。