[논문 리뷰] Monitoring Mechanical Motion of Carbon Nanotube based Nanomotor by Optical Absorption Spectrum

Baomin Wang, Xuewei Cao외 3명|arXiv (Cornell University)|2016. 10. 23.

Mechanical and Optical Resonators참고 문헌 31인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 이중벽 탄소 나노튜브(DWCNT) 기반 나노모터의 기계적 운동—특히 축 방향 이동과 회전 운동—이 그들의 광학 흡수 스펙트럼의 변화를 통해 실시간으로 모니터링될 수 있음을 보여준다. 시간에 따라 변화하는 밀도 함수 기반 타이트 바인딩(TD-DFTB) 계산을 통해 저자들은 운동과 함께 스펙트럼 피크가 주기적 또는 단조적으로 이동함을 보이며, 이 이동 폭이 최대 200 meV에 이르며, 이는 광학 스펙트럼법을 통해 나노모터의 동역학을 실험적으로 감지할 수 있음을 의미한다.

ABSTRACT

The optical absorption spectrums of nanomotors made from double-wall carbon nanotubes have been calculated with the time-dependent density functional based tight binding method. When the outer short tube of the nanomotor moves along or rotates around the inner long tube, the peaks in the spectrum will gradually evolve and may shift periodically, the amplitude of which can be as large as hundreds of meV. We show that the features and behaviors of the optical absorption spectrum could be used to monitor the mechanical motions of the double-wall carbon nanotube based nanomotor.

연구 동기 및 목표

• 광학 흡수 스펙트럼이 DWCNT 기반 나노모터의 기계적 운동을 비침습적으로 모니터링하는 데 사용될 수 있는가를 조사하는 것.
• 외부 튜브가 내부 튜브의 축을 따라 이동하거나 그 주위를 회전할 때 광학 스펙트럼이 어떻게 변화하는가를 규명하는 것.
• 특히 피크 이동과 강도 변화에 따라 상대적 튜브 구조에 대한 스펙트럼 특성의 민감도를 평가하는 것.
• 실시간으로 현장에서 나노모터의 동역학을 광학 스펙트럼법으로 모니터링하는 데의 가능성을 확립하는 것.

제안 방법

• DWCNT 나노모터의 광학 흡수 스펙트럼을 계산하기 위해 시간에 따라 변화하는 밀도 함수 기반 타이트 바인딩(TD-DFTB) 방법을 사용하였다.
• 자기 일관성 있는 DFTB 계산을 통해 기저 상태 전자 구조를 확보하였으며, 코흐-샴 오비탈과 에너지를 확보하였다.
• 광학 전이를 계산하기 위해 캐시다 방정식을 사용하여 흥(excitation) 에너지와 오실레이터 강도를 구하였다.
• 시스템의 구성을 튜브 축을 따라 이동 거리 R과 그 축을 중심으로 한 회전 각도 Φ로 매개변수화 하였다.
• 실험과의 현실적인 비교를 위해 0.02 eV의 너비를 가진 로레츠선형형(Lorentzian lineshape)을 이용해 스펙트럼 폭을 넓혔다.
• 핵심 전이의 초깃태와 최종태의 전하 밀도 분포를 시각화하여 오비탈 국소화 및 상호작용 변화를 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 외부 튜브의 축 방향 이동 중 DWCNT 나노모터의 광학 흡수 스펙트럼은 어떻게 변화하는가?
• RQ2 외부 튜브의 회전 운동이 광학 흡수 스펙트럼의 피크 위치와 강도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 기계적 운동으로 인한 스펙트럼 이동이 실험적으로 감지할 수 있을 정도로 충분히 큰가?
• RQ4 이동 운동 중에 양자 구속이 스펙트럼 반응에 어느 정도 영향을 미치는가?
• RQ5 광학 스펙트럼이 운동 중 나노모터의 구성을 유일하게 식별할 수 있는가?

주요 결과

• 축 방향 이동 중 광학 흡수 스펙트럼에서 뚜렷한 피크 하나가 외부 튜브가 내부 튜브를 따라 상대적으로 이동하는 주기와 일치하는 주기적인 에너지 이동을 보인다.
• 주기적 피크 이동의 진폭은 최대 200 meV에 이르며, 이는 현대 광학 스펙트럼법 기술의 감지 범위 내에 있다.
• 회전 운동의 경우 스펙트럼은 매끄럽고 규칙적으로 변화하며, 0.3 eV 이상에서 새로운 피크가 나타나고, 0°에서 18°로 회전 각도가 증가함에 따라 최대 200 meV까지 단조로운 블루쉬프트를 보인다.
• 스펙트럼의 변화는 튜브 간 상호작용에 의해 강하게 영향을 받으며, 회전 각도가 증가함에 따라 상호작용이 감소함에 따라 피크 이동 속도가 느려진다.
• 전하 밀도 분석을 통해 전이가 내부 및 외부 튜브 간 전자 밀도 재분포를 포함하며, 이는 회전 정렬에 의해 조절된다는 것이 확인되었다.
• 내부 튜브의 오목한 (5,0) 구조의 오목한 대칭성과 외부 튜브의 (10,0)의 십중대칭성이 결합되어 36°의 회전 주기로 주기적인 스펙트럼 행동을 유도한다.