[論文レビュー] Molecular dynamics simulation of melting of finite and inifinite size graphene

Lian Ming Huei, Tiem Leong Yoon+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 13, 2016

Graphene research and applications参考文献 24被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、LAMMPSでAIREBOポテンシャルを用いた分子動力学シミュレーションを用い、3つの独立した手法により、自由状態の無限大グラフェンの融解温度を推定した。その手法は、有限サイズのグラフェンシートからの外挿、半径を変化させた無限大の単層カーボンナノチューブ（SWCNT）の融解挙動、周期的スーパーセルシミュレーションである。2つの独立した手法によって支持される最も一貫性のある結果は、無限大グラフェンの融解温度が5302 K ± 36 Kであるというものであり、有限サイズからの外挿では5800 K ± 22 Kというより高い値が得られた。これは、有限サイズ外挿における端効果と収束制限を示している。

ABSTRACT

We investigate the melting phenomena of pristine, free-standing infinite and finite size graphene sheets via molecular dynamics simulation using AIREBO potential as implemented in the LAMMPS package. In our simulations, the temperature of the systems under investigation are systematically heated up using two independent heating protocols so that the resultant melting temperatures from both schemes can be checked against each other for consistency. The melting temperature of infinite graphene sheet is obtained by following three independent computational experiments. In the first experiment, we simulate the melting of various finite size graphenes, and then determine the melting temperature of infinite graphene sheet as the temperature at which the finite graphenes asymptotically grow in size. In the second experiment, we simulate the melting of infinite single-wall carbon-nanotubes (SWCNTs) with different radius, and then determine the melting temperature of infinite graphene sheet as the temperature at which the radius of SWCNTs asymptotically grows in size. In the third experiment, we heat up an infinite graphene that is formed by constructing a rectangular supercell which is subjected to periodic boundary condition at it sides. Melting temperature for infinite graphene obtained based on the first approach yields $\sim$ 5799 K $\pm$ 22 K. The second approach yield $\sim$5302 K $\pm$ 36 K, whereas $\sim$5355 $\pm$ 140 K from the third. There is an apparent disparity between the results from the first experiment and that of the second and third experiments due to differences in the technical details in these MD simulations. We cautiously conclude that, based on the consistency of the data of the second and third experiments, that a free-standing infinite graphene sheet melts at the temperature of 5302 K $\pm$ 36 K, using AIREBO forcefield.

研究の動機と目的

• 実験的に測定できない熱的不安定性および基板効果のため、自由状態の無限大グラフェンの融解温度を特定すること。
• 異なる基準やシミュレーションプロトコルにより報告値がばらつく、過去の原子論的シミュレーションにおけるグラフェンの融解温度の不一致を解消すること。
• 分子動力学を用いたシミュレーションにおいて、有限サイズ効果および端原子の寄与が融解温度推定に与える影響を評価すること。
• 同じ力場（AIREBO）を用いて、複数の独立したシミュレーション手法により、無限大グラフェンの融解温度を検証すること。
• 異なるシミュレーション設定における融解温度推定の不確実性および収束挙動を定量化すること。

提案手法

• LAMMPSパッケージを用い、AIREBOポテンシャルを用いて、有限および無限大サイズの純粋で自由状態のグラフェンシートをモデル化した分子動力学シミュレーション。
• 融解温度の決定に一貫性をもたせるために、直接加熱と長時間加熱の2つの加熱プロトコルを適用。
• 有限サイズのグラフェンシート（最大約5000原子）からの融解温度の外挿を実施し、漸近的収束を仮定して無限大サイズの極限を推定。
• 半径を変化させた無限大の単層カーボンナノチューブ（SWCNT）をシミュレートし、半径 → ∞ の極限として無限大グラフェンの融解温度を推定。
• 異なるサイズの長方形スーパーセルを用いた周期的境界条件により、無限大グラフェンを構築し、サイズ収束性および安定性を評価。
• 融解検出に複数の基準を用いる：径分布関数の変化、平均二乗変位、原子配置の可視的評価、およびカルオリック曲線。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 直接実験測定ができない無限大に拡張された自由状態のグラフェンシートの融解温度は何か？
• RQ2 有限サイズ効果および端原子が、原子論的シミュレーションにおけるグラフェンの融解温度にどのように影響を与えるか？
• RQ3 異なるシミュレーション手法が無限大グラフェンの融解温度を異なる値として推定するのはなぜか？そしてどの手法が最も信頼できるか？
• RQ4 サイズを大きくする周期的スーパーセルを用いたシミュレーションで、無限大グラフェンの融解温度はどの程度収束するか？
• RQ5 半径を大きくするSWCNTの極限として、無限大グラフェンの融解温度を一貫して推定できるか？

主な発見

• 有限サイズからの外挿により推定された無限大グラフェンの融解温度は5800 K ± 22 Kであるが、これは端効果および系サイズの制限のため、上限値とみなされる。
• SWCNTの半径外挿法により推定された無限大グラフェンの融解温度は5302 K ± 36 Kであり、半径 > 1.15 nmで収束が観察された。
• 周期的スーパーセル法により得られた融解温度は5355 K ± 140 Kであり、SWCNTに基づく推定値と整合的であるが、有限サイズ外挿とは一致しない。
• 有限サイズ外挿と2つの周期的境界条件法との間の乖離は、端効果および非自明な収束挙動が、有限系からの単独での無限大予測を不正確にすることを示している。
• AIREBOポテンシャルは7.3 meV·nm²のC定数を示し、他のポテンシャルで報告された値の下限に位置する。これは計算された融解挙動に影響を与える。
• 本研究は、AIREBOポテンシャル下での自由状態の無限大グラフェンの融解温度の最も信頼できる推定値が5302 K ± 36 Kであると結論づける。これは2つの独立した手法の整合性に基づく。