[논문 리뷰] Snap-through transition of graphene membranes for memcapacitor applications: A combined study using MD, DFT and elasticity theory

Ruslan D. Yamaletdinov, O. V. Ivakhnenko외 3명|arXiv (Cornell University)|2017. 07. 24.

Graphene research and applications참고 문헌 59인용 수 9

한 줄 요약

이 연구는 메모리 캐패시터 작동 메커니즘으로서 굴곡된 그래핀 막의 스냅-트루 전이를 조사하며, 분자 동역학(MD), 밀도함수이론(DFT), 탄성 이론을 통합한다. 상향에서 하향, 하향에서 상향 전이에 대한 임계 스위칭 힘에 대한 해석적 표현을 유도하였으며, DFT 검증 결과가 다양한 방법 간 양호한 일치를 보이며, 실온에서 40,000년 이상의 정보 유지 시간을 갖는 안정적이고 비버니셔블 메모리 장치로의 그래핀의 잠재력을 입증한다.

ABSTRACT

Using computational and theoretical approaches, we investigate the snap-through transition of buckled graphene membranes. Our main interest is related to the possibility of using the buckled membrane as a plate of capacitor with memory (memcapacitor). For this purpose, we performed molecular-dynamics (MD) simulations and elasticity theory calculations of the up-to-down and down-to-up snap-through transitions for membranes of several sizes. We have obtained expressions for the threshold switching forces for both up-to-down and down-to-up transitions. Moreover, the up-to-down threshold switching force was calculated using the density functional theory (DFT). Our DFT results are in general agreement with MD and analytical theory findings. Our systematic approach can be used for the description of other structures, including nanomechanical and biological ones, experiencing the snap-through transition.

연구 동기 및 목표

• 굴곡진 그래핀 막을 비버니셔블 메모리용 이중안정판으로 사용할 수 있는지의 타당성을 탐색한다.
• 상향에서 하향, 하향에서 상향 방향으로의 신뢰성 있는 스냅-트루 전이를 위한 임계 스위칭 힘을 규명한다.
• 고정밀 DFT 계산을 통해 분자 동역학 및 탄성 이론 결과를 검증한다.
• 환경 조건 하에서 이중안정 막 상태의 열적 안정성과 정보 유지 시간을 평가한다.

제안 방법

• 고정된 그래핀 막에 외부 힘을 작용시키는 동안의 동적 거동을 모델링하기 위해 분자 동역학(MD) 시뮬레이션을 수행하였다.
• 스냅-트루 전이에 대한 임계 스위칭 힘에 대한 해석적 표현을 도출하기 위해 탄성 이론을 적용하였다.
• 막의 비선형 굴곡 및 스냅링 거동을 기술하기 위한 경험적 탄성 모델을 개발하였다.
• 상향에서 하향 전이의 에너지 장벽을 계산하고 검증하기 위해 밀도함수이론(DFT) 계산을 사용하였다.
• 모든 시뮬레이션에 입력 파rameter로 굴절 강성 $ D = 1.6 $ eV 및 2차원 양의 모odulus $ E_{2D} = 340 $ N/m를 사용하였다.
• 장기적 데이터 유지 시간 평가를 위해 아레니우스 방정식을 사용하여 열적 활성화 스위칭 속도를 추정하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 그래핀 막에서 상향에서 하향 및 하향에서 상향 전이에 필요한 임계 스위칭 힘은 무엇인가?
• RQ2 MD 시뮬레이션 결과가 탄성 이론 및 DFT 계산 결과와 어떻게 비교되는가?
• RQ3 스냅-트루 전이의 에너지 장벽 높이는 얼마이며, 이는 열적 안정성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 환경 조건 하에서 막의 이중안정 상태는 얼마나 오랫동안 정보를 유지할 수 있는가?
• RQ5 MD, DFT, 탄성 이론의 조합이 2차원 막의 스냅-트루 거동에 대해 일관되고 예측 가능한 모델을 제공할 수 있는가?

주요 결과

• DFT를 사용하여 C3 구조에서 상향에서 하향 전이의 임계 스위칭 힘을 $ 235.3 Dw/L^2 $로 계산하였으며, MD 및 탄성 이론 결과와 양호한 일치를 보였다.
• DFT 계산은 고정 경계 조건 하에서 상향에서 하향 전이에 대해 대칭 및 비대칭 경로가 모두 존재함을 확인하였으며, 비대칭 경로가 낮은 에너지 장벽을 가짐을 밝혔다.
• d/L = 0.98 인 막의 경우, MD 시뮬레이션에서 최소 10 ns 동안 스위칭 사건이 관찰되지 않아 높은 안정성을 나타냈다.
• d/L = 0.94 인 경우 $ E_b = 1.8 $ eV로 아레니우스 방정식을 적용하여 열적 스위칭 시간이 300 K에서 40,000년을 초과함을 추정하였다.
• DFT로 계산된 굴절 강성($ D^{DFT} = 1.75 $ eV)은 실험값($ D = 1.6 $ eV)과 양호한 일치를 보였다.
• d/L가 감소할수록 스냅-트루 전이의 에너지 장벽이 증가하여 더 강한 안정성을 나타내는 것으로 확인되었다.