[論文レビュー] Topological characteristics of local atomic arrangements at crystalline-amorphous structural transition in graphite

A. D. Rud, I. M. Kirian+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 5, 2014

Carbon Nanotubes in Composites参考文献 56被引用数 4

ひとこと要約

本研究は、ボールミリング処理によるグラファイトの結晶性から非晶質性への遷移過程における局所的原子配置の位相的進化をXRD、逆モンテカルロ（RMC）モデリング、ボロノイ多面体（VP）解析を用いて調査した。5重の面と球形度係数（Ksph）の著しい増加を通じて、グラファイト様からダイヤモンド様の局所的秩序への移行が示され、Ksphが非晶質炭素構造における無秩序性を定量化する指標として提案された。

ABSTRACT

Quasi-continuous structural transformation from the crystalline to amorphous state takes place in graphite during ball-milling. The quantitative characteristics of a short- and a medium-range orders in carbon nanomaterials structure are determined by a combined application of X-ray diffraction analysis, reverse Monte Carlo modeling and Voronoi diagram method. High resolution TEM images revealed formation of globular carbon materials having onion-like structure. The Voronoi polyhedra (VP) constructed for simulated atomic configurations of the ball-milled graphite have an extraordinary variety in their topological and metric characteristics and contain a lot of 5-fold faces. The analysis of VP sphericity coefficient Ksph enables a conclusion about the change of the local atomic arrangement in a structure of ball-milled carbon from graphite- to diamond-like. The sphericity coefficient is proposed to be as a parameter of the topological order to quantitative estimation of disordering degree in amorphous structures.

研究の動機と目的

• グラファイトの結晶性から非晶質性への遷移過程における局所的原子配置の位相的変化を理解すること。
• 実験的手法とシミュレーション手法を統合して、ボールミリング処理された炭素ナノ材料における短距離および中距離秩序を定量化すること。
• 機械的ミリング過程におけるグラファイト様からダイヤモンド様の構造的配置への構造的進化を評価すること。
• ボロノイ多面体の球形度係数（Ksph）を、非晶質炭素における位相的無秩序性を評価する新しい指標として導入すること。

提案手法

• ボールミリング処理中のグラファイトの構造的変化を特徴付けるためにX線回折（XRD）分析を実施した。
• 実験的XRDデータに整合する原子配置を生成するために逆モンテカルロ（RMC）モデリングを用いた。
• シミュレートされた原子配置からボロノイ多面体（VP）を構築し、局所的位相の解析を行った。
• ボロノイ多面体の球形度係数（Ksph）を計算して、球対称性からの幾何的ずれを定量化した。
• 特に5重の面の頻度を分析することで、構造的無秩序性を評価した。
• Ksph値と結晶性から非晶質性への構造的進化の相関関係を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ボールミリングによって誘発されるグラファイトの結晶性から非晶質性への遷移過程において、局所的原子配置の位相的構造はどのように変化するか？
• RQ2 ボロノイ多面体における5重の面は、非晶質炭素における構造的無秩序性をどのように特徴付けるか？
• RQ3 球形度係数（Ksph）は、非晶質炭素構造における位相的無秩序の度合いをどの程度正確に反映しているか？
• RQ4 Ksph指標は、グラファイト様とダイヤモンド様の局所的原子配置を信頼性高く区別できるか？

主な発見

• ボールミリング処理されたグラファイトのボロノイ多面体は、多様な位相的および幾何的特性を示しており、複雑な局所的無秩序性を示している。
• ボロノイ多面体内での5重の面の著しい増加が観察され、ダイヤモンド様の配位に移行している兆候が示された。
• ミリング過程を通じて球形度係数（Ksph）が著しく増加し、異方的なグラファイト様の構造から、より等方的かつ球形に近い局所的配置への移行が示された。
• Ksph値は構造的無秩序の度合いと強く相関しており、非晶質炭素における位相的秩序の定量化指標としての有効性が裏付けられた。
• 高分解能TEM像により、オニオン構造を有する炭素構造の形成が確認され、シミュレートされた非晶質構造と整合的であった。
• XRD、RMC、VP解析を統合的に用いることで、ボールミリング処理炭素における局所的秩序の詳細なマルチスケール特徴化が可能になった。