[論文レビュー] Snap-through transition of graphene membranes for memcapacitor applications: A combined study using MD, DFT and elasticity theory

Ruslan D. Yamaletdinov, O. V. Ivakhnenko+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 24, 2017

Graphene research and applications参考文献 59被引用数 9

ひとこと要約

本研究では、メムキャパシタの動作メカニズムとして、 buckled（くぼんだ）グラフェン膜のスナップスルー遷移を調査し、分子動力学（MD）、密度汎関数理論（DFT）、弾性理論を組み合わせた。上向きから下向き、および下向きから上向きへの遷移におけるスイッチング閾値力の解析的表現を導出し、DFTによる検証で、各手法間で良好な一致が得られ、室温下で40,000年以上の情報保持が可能な安定した非揮発性メモリデバイスとしてのグラフェンの可能性が示された。

ABSTRACT

Using computational and theoretical approaches, we investigate the snap-through transition of buckled graphene membranes. Our main interest is related to the possibility of using the buckled membrane as a plate of capacitor with memory (memcapacitor). For this purpose, we performed molecular-dynamics (MD) simulations and elasticity theory calculations of the up-to-down and down-to-up snap-through transitions for membranes of several sizes. We have obtained expressions for the threshold switching forces for both up-to-down and down-to-up transitions. Moreover, the up-to-down threshold switching force was calculated using the density functional theory (DFT). Our DFT results are in general agreement with MD and analytical theory findings. Our systematic approach can be used for the description of other structures, including nanomechanical and biological ones, experiencing the snap-through transition.

研究の動機と目的

• バクルドグラフェン膜をメムキャパシタにおける二安定板として用いる可能性を検討すること。
• 上向きから下向き、および下向きから上向きへの遷移に必要なスイッチング閾値力を特定すること。
• 高精度なDFT計算を用いて、分子動力学と弾性理論の結果を検証すること。
• 環境条件下における二安定膜状態の熱的安定性および情報保持時間を評価すること。

提案手法

• 外部力が作用する固定されたグラフェン膜の動的挙動をモデル化するために、分子動力学（MD）シミュレーションを実施した。
• スナップスルー遷移におけるスイッチング閾値力の解析的表現を導出するために、弾性理論を適用した。
• 膜の非線形なバクルイングおよびスナッピング挙動を記述するための現象的弾性モデルを構築した。
• 上向きから下向きへの遷移におけるエネルギー障壁を計算・検証するために、密度汎関数理論（DFT）計算を用いた。
• すべてのシミュレーションに使用する入力パラメータとして、曲げ剛性 $ D = 1.6 $ eV および2次元ヤング率 $ E_{2D} = 340 $ N/m を採用した。
• 長期的なデータ保持を評価するために、アレニウス式を用いて熱的活性化スイッチングレートを推定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 グラフェン膜における上向きから下向き、および下向きから上向きへのスナップスルー遷移に必要な閾値スイッチング力は何か？
• RQ2 MDシミュレーションの結果は、弾性理論およびDFT計算の結果とどのように一致するか？
• RQ3 スナップスルー遷移のエネルギー障壁の高さは何か？ また、その高さが熱的安定性にどのように影響するか？
• RQ4 環境条件下で、膜の二安定状態はどの程度の期間、情報を保持できるか？
• RQ5 MD、DFT、および弾性理論の組み合わせは、2次元膜におけるスナップスルー挙動を一貫的かつ予測可能なモデルとして提供できるか？

主な発見

• C3配置における上向きから下向きへの遷移のスイッチング閾値力は、DFTを用いて $ 235.3 Dw/L^2 $ として計算され、MDおよび弾性理論の結果と良好に一致した。
• DFT計算により、固定境界条件下における上向きから下向きへの遷移に、対称的および非対称的経路の両方が存在することが確認され、非対称的経路のほうが低いエネルギー障壁を示した。
• d/L = 0.98 の膜では、MDシミュレーションで10ナノ秒以上にわたりスイッチングイベントが観察されず、高い安定性が示された。
• d/L = 0.94 に対して $ E_b = 1.8 $ eV を用い、アレニウス式を適用した結果、300 Kで40,000年以上の熱的スイッチング時間が推定された。
• DFTで計算された曲げ剛性（$ D^{DFT} = 1.75 $ eV）は、実験値（$ D = 1.6 $ eV）と良好に一致した。
• スナップスルー遷移のエネルギー障壁は $ d/L $ が小さくなるほど増加し、より閉じ込められた膜では安定性が高まることを示した。