[論文レビュー] Thermal stability of a free nanotube from single-layer black phosphorus

Kun Cai, Jing Wan+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 23, 2015

2D Materials and Applications参考文献 23被引用数 4

ひとこと要約

本研究は、分子動力学シミュレーションを用いて、単層黒リン（SLBP）から得られる自由な黒リンナノチューブ（BPNT）の熱的安定性を調査する。構造的崩壊の指標として、結合長が0.279 nmを超えること、または非共有原子間距離が0.389 nmを超えることを臨界破壊閾値として特定し、NEMS用途を想定した場合に、曲率を低く保つことや、低い作動温度を維持することで安定性が向上することを結論づけた。

ABSTRACT

Similar to the carbon nanotube fabricated from graphene sheet, a black phosphorus nanotube (BPNT) also can theoretically be produced by curling the rectangular single-layer black phosphorus (SLBP). In present study, the effect of thermal vibration of atoms on the failure of a BPNT is investigated using molecular dynamics simulations. Two types of double-shell BPNTs, which are obtained by curling the rectangular SLBP along its armchair/pucker direction and zigzag direction (in-plane normal) respectively, are involved in simulation. At finite temperature, a bond on the outer shell of tube is under tension due to both of curvature of tube and serious thermal vibration of atoms. As the length of a bond with such elongation approaches its critical value, i.e., 0.279 nm, or the smallest distance between two nonbonding phosphorus atoms is over 0.389nm caused by great variation of bond angle, the tube fails quickly. The critical stable states of either an armchair or a zigzag BPNT at finite temperature are calculated and compared. To achieve a stable BPNT with high robustness, the curvature of the tube should be reduced or the tube should work at a lower temperature. Only when the BPNT has structural stability, it has a potential application as a nanowire in a future nano electro-mechanical system (NEMS).

研究の動機と目的

• 有限温度条件下における自由な黒リンナノチューブ（BPNT）の熱的安定性を評価すること。
• 原子の熱振動および曲率に起因する応力が引き起こすBPNTの構造的破壊メカニズムを調査すること。
• 熱的負荷下におけるアームチェア型およびジグザグ型BPNTの安定性を比較すること。
• BPNTの構造的破壊に至る臨界幾何学的およびエネルギー的閾値を特定すること。
• ナノ電気機械システム（NEMS）用途に適した耐久性のあるBPNTの設計指針を確立すること。

提案手法

• 二重殻構造のBPNTの熱的挙動をモデル化するために、古典的分子動力学（MD）シミュレーションを採用した。
• アームチェア方向およびジグザグ方向に沿って、長方形の単層黒リン（SLBP）をねじることでBPNTを構築した。
• 有限温度ダイナミクスを適用し、原子の熱振動とその結合長への影響をシミュレートした。
• 破壊発生の検出のために、結合長の変化および非共有原子間距離の変遷を追跡した。
• 結合長が0.279 nmを超えた、または非共有P–P距離が0.389 nmを超えた時点で破壊と定義した。
• アームチェア型とジグザグ型BPNTの構成間における臨界安定状態を比較し、方向別安定性の差を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 自由なBPNTの構造的破壊を引き起こす臨界の熱的および幾何的条件は何か？
• RQ2 曲率方向（アームチェア対ジグザグ）がBPNTの熱的安定性にどのように影響するか？
• RQ3 熱振動と曲率が、BPNTにおける結合長の延長および結合角の歪みをどれほど同時に引き起こすか？
• RQ4 BPNTの急速な破壊を引き起こす結合長の延長および非共有原子間隔の閾値は何か？
• RQ5 どのような条件下でBPNTはNEMS用途に耐える構造的整合性を維持できるか？

主な発見

• BPNTで破壊が発生する臨界結合長は0.279 nmであり、これは曲率および熱運動によって引き起こされる引張応力状態に対応する。
• 非共有リン原子間の最小距離が0.389 nmを超える場合、過剰な結合角歪みが原因で破壊が引き起こされる。
• 同じ熱的条件下でも、ジグザグ型BPNTはアームチェア型BPNTに比べて低い熱的安定性を示す。
• 熱振動は外層結合に顕著に応力を増大させ、これが破壊の主な発生源となる。
• チューブの曲率を低く保つこと、または低い温度で作動させることで、BPNTの構造的頑丈さが向上する。
• BPNTの実用的応用の前提として、構造的安定性が不可欠である。