[論文レビュー] Statistical analysis of Ni nanowires breaking processes: a numerical simulation study

P. García‐Mochales, Ricardo Paredes+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 2, 2007

Molecular Junctions and NanostructuresEngineering参考文献 66被引用数 19

ひとこと要約

本研究では、埋め込み原子法（EAM）に基づく分子動力学シミュレーションを用いて、温度、結晶指向、初期サイズの違いに起因するNiナノワイヤの破断プロセスを統計的に分析した。主な発見として、[111]指向ナノワイヤは破断に至るまでに秩序だったモノマーおよびジマー状態を経て進化するが、[100]および[110]指向では$ S_m \sim 5 $に顕著なピークが観察され、安定した段差のあるペンタゴナル鎖状構造が形成されていることが示された。室温下では無秩序性が増加するが、小径ワイヤでは指向にかかわらずサイズ効果が支配的である。

ABSTRACT

A statistical analysis of the breaking behavior of Ni nanowires is presented. Using molecular dynamic simulations, we have determined the time evolution of both the nanowire atomic structure and its minimum cross section (Sm(t)). Accumulating thousands of independent breaking events, Sm histograms are built and used to study the influence of the temperature, the crystalline stretching direction and the initial nanowire size. The proportion of monomers, dimers and more complex structures at the latest stages of the breaking process are calculated, finding important differences among results obtained for different nanowire orientations and sizes. Three main cases have been observed. (A) [111] stretching direction and large nanowire sizes: the wire evolves from more complex structures to monomers and dimers prior its rupture; well ordered structures is presented during the breaking process. (B) Large nanowires stretched along the [100] and [110] directions: the system mainly breaks from complex structures (low probability of finding monomers and dimers), having disordered regions during their breakage; at room temperature, a huge histogram peak around Sm=5 appears, showing the presence of long staggered pentagonal Ni wires with ...-5-1-5-... structure. (C) Initial wire size is small: strong size effects independently on the temperature and stretching direction. Finally, the local structure around monomers and dimmers do not depend on the stretching direction. These configurations differ from those usually chosen in static studies of conductance.

研究の動機と目的

• 温度、結晶指向、初期サイズの違いに起因するNiナノワイヤの破断における統計的挙動を理解すること。
• ナノワイヤ破断時の原子スケールでの構造的進化、特に最小断面積$ S_m(t) $の形成を特定すること。
• 破断の最終段階におけるモノマー、ジマー、および複雑な構造の出現頻度を同定すること。
• 温度およびサイズが構造的秩序と電導に関連する配置に与える影響を評価すること。
• シミュレーションによる最小断面積ヒストグラムと実験的電導ヒストグラムを比較し、無秩序性、不純物、磁気的効果に起因する乖離を特定すること。

提案手法

• Niの原子的相互作用をモデル化するため、埋め込み原子法（EAM）ポテンシャルを用いた分子動力学シミュレーション。
• 温度、引張方向、初期サイズを制御した条件下で、数千回のナノコンタクト破断イベントをシミュレート。
• ナノワイヤの原子構造と最小断面積$ S_m(t) $の時間分解能追跡。
• 蓄積された破断イベントから$ S_m $ヒストグラムを構築し、統計的分布を分析。
• 特にモノマーおよびジマーを同定するため、最終的な原子配置の分析。
• [111]、[100]、[110]の引張方向および温度（4K～300K）の違いによる結果の比較。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Niナノワイヤの結晶指向が、破断時の最小断面積$ S_m $の統計的分布にどのように影響を与えるか？
• RQ2 温度がナノワイヤ破断時の構造的進化および一時的配置の安定性にどのように作用するか？
• RQ3 初期ナノワイヤサイズおよびサイズ効果が、破断プロセスおよび最終的な原子配置に及ぼす影響の程度はどの程度か？
• RQ4 室温下での実験的電導ヒストグラムに広いピークが観察されるが、これは現在のシミュレーションでは完全に説明できない。その理由は何か？
• RQ5 破断点で最も確率が高い原子配置（例：モノマー、ジマー、ペンタゴナル鎖）は何か？また、指向に応じてどのように異なるか？

主な発見

• [111]指向ナノワイヤで初期サイズが大きい場合、破断に至るまでに秩序あるモノマーおよびジマー状態を経て進化し、破断直前までにこれらの構造が観測される確率が高くなる。
• [100]および[110]指向では、$ S_m $ヒストグラムに$ S_m \sim 5 $に顕著なピークが現れ、繰り返し構造…-1-5-1-5-…を示す長大で段差のあるペンタゴナル鎖状構造の形成を示している。特に室温下で顕著である。
• この$ S_m \sim 5 $ピークが安定で秩序あるペンタゴナル鎖状構造に起因することが確認され、これは文献にまだ報告されていなかった特徴である。
• 室温下では、[100]および[110]ワイヤは破断中に顕著な構造的無秩序性を示すが、[111]ワイヤとは異なり、秩序ある進化を示さない。
• 初期サイズが小さいナノワイヤでは、温度や指向にかかわらずサイズ効果が支配的となり、$ S_m $ヒストグラムがノイズが多く複雑になる。
• モノマーおよびジマー構造はすべての指向で類似している：モノマーは2-1-3および2-1-4配置を好むが、ジマーは3-1-1-4、3-1-1-3、4-1-1-4の幾何配置を最もよく採用する。