[論文レビュー] Carbon Nanotube with Square Cross-section: An Ab Initio Investigation

Pedro Alves da Silva Autreto, Sérgio B. Legoas+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 4, 2010

Boron and Carbon Nanomaterials Research参考文献 2被引用数 9

ひとこと要約

このab initio研究では、正方形断面を有するカーボンナノチューブ（CNTSC）の可能性を調査し、密度汎関数理論を用いて、このような構造が安定または準安定であり、金属的性質を示し、径方向圧縮によってSWNT(2,2)から直接形成可能であることを示している。結果は、構造的および電子的妥当性を確認しており、圧力支援変換または高分子経路による合成の可能性を示唆している。

ABSTRACT

Recently, Lagos et al. (Nature Nanotechnology 4, 149 (2009)) reported the discovery of the smallest possible silver square cross-section nanotube. A natural question is whether similar carbon nanotubes can exist. In this work we report ab initio results for the structural, stability and electronic properties for such hypothetical structures. Our results show that stable (or at least metastable) structures are possible with metallic properties. They also show that these structures can be obtained by a direct interconversion from SWNT(2,2). Large finite cubane-like oligomers, topologically related to these new tubes were also investigated.

研究の動機と目的

• 仮想の正方形断面を有するカーボンナノチューブ（CNTSC）の構造的・安定性的・電子的性質を調査すること。
• CNTSC構造がab initio計算において安定または準安定な形で存在可能かどうかを特定すること。
• 径方向圧縮の下でSWNT(2,2)からCNTSCへの直接的相互変換が可能かどうかを検討すること。
• CNTSCに関連する有限なカビン様オリゴマーの安定性およびエネルギー的傾向を評価すること。
• CNTSCの電子構造を標準的なカーボンナノチューブおよびバルク炭素相と比較して評価すること。

提案手法

• GGA-PBE汎関数を用いた密度汎関数理論（DFT）に基づくab initio全エネルギー計算。
• DNP（極小数の基底関数に極化関数を含む）を用いたDMol3コードの採用。
• 無限大のCNTSCおよび最大10個の正方形単位からなる有限オリゴマーに対して周期的境界条件を適用。
• 外部圧力を模擬するための径方向圧縮シミュレーションを実施し、SWNT(2,2)からCNTSCへの遷移経路を検討。
• エネルギー最小化の収束基準をエネルギー0.00027 eV、勾配0.054 eV/Å、変位0.005 Åに設定。
• 全エネルギー対単位格子体積の関係にムルナハノ方程式をフィットさせ、平衡格子定数を決定。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 正方形断面を有するカーボンナノチューブ（CNTSC）は、安定または準安定構造として存在可能か？
• RQ2 外部圧力の下でSWNT(2,2)からCNTSCへの直接的相互変換経路は現実的か？
• RQ3 CNTSCの電子的性質は何か？ また、SWNT(2,2)およびバルク炭素相と比較してどう異なるか？
• RQ4 有限なカビン様オリゴマーにおける炭素原子1個あたりのエネルギーはどのように変化するか？ また、無限大のCNTSC構造に向かって収束するか？
• RQ5 CNTSCはグラファイト、ダイヤモンド、SWNT(2,2)と比較して相対的にどの程度安定か？

主な発見

• CNTSC構造は安定または準安定であり、原子1個あたりの全エネルギーが-38.003 Haで、エネルギー順位でダイヤモンドとSWNT(2,2)の間にある。
• CNTSCとSWNT(2,2)のエネルギー差は0.0384 Haであり、SWNT(2,2)とダイヤモンドの差（0.0395 Ha）と同等の大きさである。
• 径方向圧縮の下でSWNT(2,2)からCNTSCへの直接的相互変換経路が可能であり、遷移中には軸方向格子定数が増加する。
• バンド構造および状態密度の結果から、CNTSCはフェルミエネルギー付近に有限の状態密度を示し、金属的性質を示すことが判明した。
• 有限なカビン様オリゴマー（n=2〜n=10）は発熱反応的形成を示すが、エネルギー的に無限大のCNTSC構造に向かって収束し、炭素原子1個あたりのエネルギーはn=2の-38.647 Haから無限大の-38.003 Haに減少する。
• CNTSC構造は、軸方向c格子定数が3.2 Åを超える場合にのみチューブトポロジーを維持することができ、これは臨界的な構造的閾値を示している。