[논문 리뷰] Magic Graphene Clusters Formation in the graphene CVD growth process on Ru and Rh

Junfeng Gao, Feng Ding|arXiv (Cornell University)|2017. 07. 14.

Graphene research and applications인용 수 27

한 줄 요약

이 연구는 C21-3C로 불리는 탄소 클러스터가 C21 핵을 가지고 있으며, Ru(0001) 또는 Rh(111) 표면에 의해 삼키진 세 개의 끝나지 않은 탄소 원자들을 갖는 것으로, 그래핀의 화학 기상 에피태크시(CVD) 성장 중에 매우 뛰어난 안정성을 나타낸다. 아비 이니티 계산과 동역학 분석을 통해 이 클러스터는 21~27개 탄소 원자 범위에서 가장 안정적인 것으로 밝혀졌으며, 이러한 표면에서 관찰된 초고안정 그래핀 핵의 실험적 관찰을 설명한다.

ABSTRACT

To improve atomically controlled chemical vapor deposition (CVD) growth of graphene, understanding the evolution from various carbon species to a graphene nuclei on various catalyst surfaces is essential. Experimentally, an ultra-stable carbon cluster on Ru(0001), Rh(111) surfaces was observed, while its structure and formation process were still under highly debate. Using ab initio calculations and kinetic analyses, we disclosed a specific type of carbon clusters, composed of a C21 core and a few dangling C atoms around, were exceptional stable in the size range from 21 to 27. The most stable one of them, an isomer of C24 characterized as three dangling C atoms attached to the C21 (denoted as C21-3C), is the most promising candidate for the experimental observation. The ultra-stability of C21-3C originates from both the stable core and the appropriate passivation of dangling carbon atoms by the catalyst surface.

연구 동기 및 목표

• Ru(0001) 및 Rh(111) 표면에서 CVD 성장 중 초고안정 탄소 클러스터의 형성 메커니즘을 이해하기 위해.
• 그래핀 핵 형성에서 실험적으로 관찰된 탄소 클러스터의 구조 및 안정성에 대한 오랫동안 지속된 논란을 해결하기 위해.
• 실험적 관찰과 일치하는 21~27 원자 범위의 탄소 클러스터 중에서 가장 안정적인 구성 구조를 규명하기 위해.
• 촉매 표면이 끝나지 않은 탄소 원자를 삼키는 방식으로 끝나지 않은 탄소 원자를 안정화시키는 역할을 밝혀내기 위해.
• 클러스터 공학을 통해 원자 수준에서 제어 가능한 그래핀 성장을 위한 이론적 기초를 제공하기 위해.

제안 방법

• 탄소 클러스터의 전자적 및 구조적 성질을 계산하기 위해 밀도 기반 함수 이론(DFT) 계산을 사용하였다.
• 21~27개 탄소 원자 범위의 다양한 클러스터 이성체의 열역학적 및 동역학적 안정성을 평가하기 위해 동역학 분 析를 수행하였다.
• 촉매 표면에 의한 끝나지 않은 탄소 원자의 삼키기 효과를 분석하여 안정화 효과를 평가하였다.
• 다양한 클러스터 구성의 응집 에너지 및 형성 에너지를 비교하여 가장 안정적인 이성체를 규명하였다.
• 클러스터 기하학적 최적화 및 진동 분석을 통해 구조적 안정성을 확인하였다.
• 예측된 클러스터 구조가 CVD로 성장한 그래핀에서 관찰된 초고안정 핵과 일치하는지 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CVD 성장 중 Ru 및 Rh 표면에서 21~27 원자 범위의 탄소 클러스터 중 가장 안정한 구조는 무엇인가요?
• RQ2 Ru(0001) 및 Rh(111) 표면은 그래핀 클러스터의 끝나지 않은 탄소 원자를 안정화시키는 데 어떻게 기여합니까?
• RQ3 이론적 예측에 비해 더 높은 반응성이 예상되는데도 불구하고, 일부 탄소 클러스터가 실험적으로 초고안정 핵으로 관찰되는 이유는 무엇입니까?
• RQ4 다른 클러스터 크기와 비교해 볼 때 C21 핵이 클러스터 안정성 향상에 어떤 역할을 합니까?
• RQ5 촉매 표면에 의한 끝나지 않은 탄소 원자의 삼키기가 클러스터의 전체 열역학적 안정성에 어떤 영향을 미칩니까?

주요 결과

• C21-3C 클러스터는 C21 핵을 가지고 있으며, Ru(0001) 또는 Rh(111) 표면에 의해 삼키진 세 개의 끝나지 않은 탄소 원자를 포함하며, 21~27 탄소 원자 범위에서 가장 안정적인 이성체이다.
• C21-3C의 초고안정성은 매우 안정적인 C21 핵과 촉매 표면에 의한 끝나지 않은 탄소 원자의 효과적인 삼키기 간의 상호작용에서 기인한다.
• 아비 이니티 계산 결과, C21-3C는 이 범위 내 모든 이성체 중에서 가장 낮은 형성 에너지를 가지며, 열역학적 우선성을 확인한다.
• 동역학 분석을 통해 C21-3C는 열역학적으로 안정할 뿐 아니라 CVD 성장 과정에서 동역학적으로도 접근 가능하다는 것이 확인되었다.
• 촉매 표면에 의한 끝나지 않은 탄소 원자의 삼키기는 표면 에너지를 크게 감소시키며 클러스터 분해를 방지한다.
• 이론적 예측으로 C21-3C가 가장 안정한 클러스터로 규명되었으며, 이는 Ru 및 Rh 기반 표면에서 관찰된 초고안정 그래핀 핵과 일치한다.