[論文レビュー] Strain engineering on graphene towards tunable and reversible hydrogenation

Zhiping Xu, Kun Xue|arXiv (Cornell University)|Apr 20, 2009

Graphene research and applications参考文献 26被引用数 44

ひとこと要約

本研究では、機械的歪みによって結合エネルギーを制御することで、グラフェンにおけるチューナブルで可逆的な水素化を実現する歪み工学の有効性を示している。第一原理計算により、10%の面内歪みが対称相において水素結合エネルギーを最大53.89%向上させ、歪み誘起の構造遷移を通じて可逆的貯蔵を可能にすることが判明した。引張歪み下では電子的性質が回復可能である。

ABSTRACT

Graphene is the extreme material for molecular sensory and hydrogen storage applications because of its two-dimensional geometry and unique structure-property relationship. In this Letter, hydrogenation of graphene is discussed in the extent of intercoupling between mechanical deformation and electronic configuration. Our first principles calculation reveals that the atomic structures, binding energies, mechanical and electronic properties of graphene are significantly modified by the hydrogenation and applied strain. Under an in-plane strain of 10 %, the binding energies of hydrogen on graphene can be improved by 53.89 % and 23.56 % in the symmetric and anti-symmetric phase respectively. Furthermore the instability of symmetrically bound hydrogen atoms under compression suggests a reversible storage approach of hydrogen. In the anti-symmetric phase, the binding of hydrogen breaks the sp2 characteristic of graphene, which can be partly recovered at tensile strain. A charge density based analysis unveils the underline mechanisms. The results reported here offer a way not only to tune the binding of hydrogen on graphene in a controllable and reversible manner, but also to engineer the properties of graphene through a synergistic control through mechanical loads and hydrogen doping.

研究の動機と目的

• チューナブルな水素貯蔵を実現するため、グラフェンにおける機械的歪みと水素化の相乗的相互作用を調査すること。
• 歪み誘起の構造的および電子的変化を活用することで、グラフェン上での可逆的水素吸着の課題を解決すること。
• 歪みが水素化グラフェンの結合エネルギー、安定性、および電子的配置に与える影響を調査すること。
• 機械的負荷と水素ドーピングを組み合わせた包括的戦略を構築し、グラフェンの特性を工学的に制御すること。

提案手法

• 各種歪み条件下における水素化グラフェンのモデル化に、第一原理密度汎関数理論（DFT）計算を用いた。
• 面内に歪み（最大10%）を適用し、原子的構造および結合エネルギーに与える影響を調査した。
• 歪み誘起の変化の背後にある電子的メカニズムを解明するために、電荷密度解析を実施した。
• 安定性および電子的応答を比較するために、対称的および反対称的の2種類の水素結合配置を分析した。
• 引張歪みおよび圧縮歪み下での結合エネルギー、機械的安定性、および電子構造を体系的に評価した。
• 圧縮誘起の解離後に引張歪み下での構造的回復を解析することで、水素化の可逆性を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 面内歪みは、グラフェン上の水素原子の結合エネルギーにどのように影響するか？
• RQ2 歪み工学により、構造的および電子的安定性を制御することで、グラフェンにおける可逆的水素化を誘発できるか？
• RQ3 歪み依存の水素貯蔵において、対称的と反対称的水素結合の役割は何か？
• RQ4 機械的歪みは、水素化過程におけるグラフェンのsp2特性および電子的性質をどのように変化させるか？
• RQ5 機械的負荷と水素ドーピングをどのように相乗的に組み合わせて、グラフェンの機能的特性をチューニングできるか？

主な発見

• 10%の面内引張歪みをかけると、対称相では水素結合エネルギーが53.89%向上し、反対称相では23.56%向上した。
• 圧縮歪みは、対称的に結合した水素原子の不安定化を引き起こし、可逆的水素放出を可能にした。
• 反対称相における水素化はグラフェンのsp2混成を破るが、引張歪み下では部分的にsp2構造が回復した。
• 電荷密度解析により、歪みが電子再配分を変化させ、直接的に水素結合の強度と安定性に影響することが明らかになった。
• 機械的歪みと水素ドーピングの相乗効果により、グラフェンの電子的および機械的性質を動的に可逆的にチューニング可能である。
• 本研究の結果は、外部からの歪みを適用することで、制御可能で可逆的な水素貯蔵がグラフェンで実現可能であるという道筋を示した。