[논문 리뷰] Effect of edge structures on elastic modulus and fracture of graphene nanoribbons under uniaxial tension

Qiang Lü, Rui Huang|arXiv (Cornell University)|2010. 07. 19.

Carbon Nanotubes in Composites참고 문헌 33인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 원자적 시뮬레이션을 사용하여 축방향 인장 하중에서 그래핀 나노리본의 경계 구조(아르메이어형과 지그재그형)가 탄성 계수와 파손 거동에 미치는 영향을 조사한다. 아르메이어형 리본은 경계 제어형 비균일 핵형성에 의해 지그재그형 리본보다 파손 변형률이 낮음을 밝혀내며, 수소 화합물 처리가 아르메이어형 리본에는 크게 영향을 주지만 지그재그형 리본에는 거의 영향을 주지 않으며, 경계 치랄성과 너비가 변형률에 따라 변하는 경계 에너지 효과에 의해 초기 영률 모odulus에 강하게 영향을 준다.

ABSTRACT

Based on atomistic simulations, the nonlinear elastic properties of monolayer graphene nanoribbons under quasistatic uniaxial tension are predicted, emphasizing the effect of edge structures (armchair and zigzag, without and with hydrogen passivation). The results of atomistic simulations are interpreted within a theoretical framework of thermodynamics, which enables determination of the nonlinear functions for the strain-dependent edge energy and the hydrogen adsorption energy, for both zigzag and armchair edges. Due to the edge effects, the initial Young's modulus of graphene nanoribbons under infinitesimal strain varies with the edge chirality and the ribbon width. Furthermore, it is found that the nominal strain to fracture is considerably lower for armchair graphene nanoribbons than for zigzag ribbons. Two distinct fracture mechanisms are identified, with homogeneous nucleation for zigzag ribbons and edge-controlled heterogeneous nucleation for armchair ribbons. Hydrogen passivation of the edges is found to have negligible effect on the mechanical properties of zigzag graphene nanoribbons, but its effect is more significant for armchair ribbons.

연구 동기 및 목표

• 축방향 인장 하중에서 경계 구조(아르메이어형 대비 지그재그형)가 그래핀 나노리본의 기계적 거동에 미치는 영향를 이해하는 것.
• 리본 너비와 경계 치랄성이 초기 탄성 계수에 미치는 영향를 정량화하는 것.
• 수소 화합물 처리가 기계적 성질과 파손 메커니즘에 미치는 영향를 조사하는 것.
• 열역학적 및 원자적 모델링을 통해 다양한 경계 유형 간의 파손 메커니즘을 식별하고 구분하는 것.
• 시뮬레이션 데이터로부터 변형률에 따라 변화하는 경계 에너지 및 수소 흡착 에너지 함수를 유도하는 것.

제안 방법

• 단층 그래핀 나노리본의 기계적 거동을 모델링하기 위해 준정적 축방향 인장 조건 하에서 원자적 분자 동역학 시뮬레이션을 수행한다.
• 리본 너비와 경계 구조(아르메이어형, 지그재그형, 수소 화합물 처리 유무)를 체계적으로 변화시킨다.
• 열역학적 프레임워크를 적용하여 시뮬레이션 결과를 해석하고 변형률에 따라 변화하는 경계 에너지 및 수소 흡착 에너지 함수를 추출한다.
• 응력-변형률 곡선 분석을 통해 탄성 계수와 파손 변형률을 결정한다.
• 결합 파손의 원자 척도 관찰을 통해 파손 핵형성 위치와 메커니즘을 규명한다.
• 지그재그형과 아르메이어형 리본 간의 기계적 거동을 비교하여 경계 특성에 기인한 영향를 분리한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 경계 치랄성(아르메이어형 대비 지그재그형)은 그래핀 나노리본의 초기 탄성 계수에 어떤 영향를 미치는가?
• RQ2 리본 너비는 탄성 계수와 파손 변형률에 어떤 영향를 미치는가?
• RQ3 수소 화합물 처리는 다양한 경계 구조를 가진 그래핀 나노리본의 기계적 성질에 어떤 영향를 미치는가?
• RQ4 아르메이어형과 지그재그형 그래핀 나노리본에서 지배적인 파손 메커니즘은 무엇인가?
• RQ5 변형률에 따라 변화하는 경계 에너지와 수소 흡착 에너지는 변형에 따라 어떻게 변화하는가?

주요 결과

• 그래핀 나노리본의 초기 영률 모odulus는 경계 치랄성과 리본 너비에 크게 의존하며, 작은 너비에서 아르메이어형 경계는 더 낮은 강성도를 보인다.
• 아르메이어형 그래핀 나노리본은 지그재그형 리본에 비해 명백히 낮은 명목상 파손 변형률을 나타내며, 리본 너비가 감소할수록 파손 변형률이 감소한다.
• 지그재그 리본은 균일한 핵형성에 의해 파손되며, 아르메이어 리본은 경계 제어형 비균일 핵형성에 의해 파손된다.
• 수소 화합물 처리는 지그재그 리본의 기계적 성질에 거의 영향를 주지 않지만, 아르메이어 리본의 파손 변형률을 크게 증가시키고 파손 모드를 변화시킨다.
• 이 연구는 경계 유형과 변형에 따라 체계적으로 변화하는 변형률에 따라 변화하는 경계 에너지 및 수소 흡착 에너지 함수를 유도하였다.
• 아르메이어 리본의 파손은 경계 원자에서 시작되며, 강한 경계 부위 민감도를 나타내며, 지그재그 리본은 파손 이전에 더 균일한 응력 분포를 보인다.