[논문 리뷰] Mechanical Properties and Fracture Patterns of Pentagraphene Membranes

J. M. De Sousa, A. L. Aguiar외 4명|arXiv (Cornell University)|2017. 03. 10.

Graphene research and applications참고 문헌 55인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 밀도함수이론(DFT)과 반응성 분자동역학(MD) 시뮬레이션을 결합하여 신개념 2차원 탄소 이성질체인 펜타그래핀(PG)의 기계적 거동과 파손 메커니즘을 조사한다. 결과적으로 PG 막대는 파손 이전까지 최대 20%의 인장 변형률에 견딜 수 있으며, 이는 광범위한 결합 단절과 7-, 8-, 11개 원자로 이루어진 탄소 고리 및 체인의 형성 후에야 파손이 발생함을 시사하며, 기계적 응력 하에서 그래핀으로의 구조 전이가 일어나지 않음을 나타낸다.

ABSTRACT

Recently, a new two-dimensional carbon allotrope called pentagraphene (PG) was proposed. PG exhibits mechanical and electronic interesting properties, including typical band gap values of semiconducting materials. PG has a Cairo-tiling-like 2D lattice of non coplanar pentagons and its mechanical properties have not been yet fully investigated. In this work, we combined density functional theory (DFT) calculations and reactive molecular dynamics (MD) simulations to investigate the mechanical properties and fracture patterns of PG membranes under tensile strain. We show that PG membranes can hold up to 20% of strain and that fracture occurs only after substantial dynamical bond breaking and the formation of 7, 8 and 11 carbon rings and carbon chains. The stress-strain behavior was observed to follow two regimes, one exhibiting linear elasticity followed by a plastic one, involving carbon atom re-hybridization with the formation of carbon rings and chains. Our results also show that mechanically induced structural transitions from PG to graphene is unlikely to occur, in contrast to what was previously speculated in the literature.

연구 동기 및 목표

• 펜타그래핀(PG)이 인장 변형률에 어떻게 반응하는지 이해하기 위해.
• 기존 문헌에서 제기된 PG가 기계적 응력 하에서 그래핀으로의 구조 전이를 겪는지 여부에 대한 모순된 보고를 해결하기 위해.
• PG 막대의 기계적 파손 시 발생하는 파손 패tern과 동적 구조 변화를 특성화하기 위해.
• ab initio DFT 계산과의 비교를 통해 고전적 MD 힘장의 정확성을 검증하기 위해.

제안 방법

• LCAO 기저와 GGA 교환-상관 기능을 사용한 SIESTA 코드를 활용한 밀도함수이론(DFT) 계산.
• Müller 등이 제시한 파arameter를 사용한 ReaxFF 힘장을 활용한 반응성 고전적 분자동역학(MD) 시뮬레이션과 비교를 위한 다른 파라미터 세트 적용.
• 응력 의존적 거동을 연구하기 위해 다양한 결정학적 방향(R0 및 R45)에 따라 축방향 및 이축방향 인장 변형률을 적용.
• 각 변형률 수준에서 원자에 작용하는 힘이 10 meV/Å 이하로 감소할 때까지 전체 기하학적 최적화 수행.
• 응력-변형률 곡선을 생성하고 분석하여 양모듈러스, 푸아송 비율 및 파손 응력 추출.
• 구조 분석은 파손 과정 중에 발생하는 결합 길이 변화, 화학적 화학화 상태 전이 및 비오각형 탄소 고리(7-, 8-, 11개 원자)의 형성에 집중.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 PG 막대는 파손 전까지 최대 몇 퍼센트의 인장 변형률에 견딜 수 있는가?
• RQ2 기계적 하중이 이전에 추측된 바와 같이 펜타그래핀에서 그래핀으로의 구조 전이를 유도하는가?
• RQ3 PG의 파손 이전에 발생하는 동적 구조 변화, 즉 결합 단절과 고리 형성 등의 과정은 어떠한가?
• RQ4 DFT와 고전적 MD 시뮬레이션 간에 PG의 기계적 성질(양모듈러스, 푸아송 비율)은 어떻게 비교되는가?
• RQ5 PG 파손 역학을 ab initio DFT 결과와 가장 잘 재현하는 ReaxFF 힘장 파라미터 세트는 무엇인가?

주요 결과

• PG 막대는 파손 전까지 최대 20%의 인장 변형률에 견딜 수 있으며, 높은 연성 특성을 보인다.
• 파손은 광범위한 결합 단절과 함께 7-, 8-, 11개 원자로 이루어진 탄소 고리 및 탄소 사슬의 형성 후에만 발생한다.
• 응력-변형률 거동은 선형 탄성과 탄소 원자의 재화학적 화학화 상태 전이를 수반하는 플라스틱 변형의 두 개의 구분된 영역을 나타낸다.
• R0 방향에서의 인장 강도(약 38 GPa·nm)는 R45 방향(약 29 GPa·nm)보다 더 높으며, 이는 R0에서 평행한 C–C 결합에 집중된 응력 때문으로 기인된다.
• DFT 계산은 부정적인 푸아송 비율(보조성 행동)을 확인하였으며, 이는 이전 예측과 일치한다.
• MD 시뮬레이션에서 PG에서 그래핀으로의 구조 전이에 대한 증거는 관찰되지 않았으며, 이는 문헌에서 이전에 제기된 주장과 정반대된다.