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

Ruslan D. Yamaletdinov, O. V. Ivakhnenko+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 24, 2017

Graphene research and applications参考文献 59被引用 9

一句话总结

本研究探讨了褶皱石墨烯膜的突跃跃迁作为忆阻电容器件工作的机制，结合了分子动力学（MD）、密度泛函理论（DFT）和弹性理论。推导了向上到向下及向下到向上跃迁的阈值开关力的解析表达式，DFT验证显示各方法间结果高度一致，表明石墨烯在室温下具备超过40,000年的信息保持能力，具有实现稳定非易失性存储器件的潜力。

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.

研究动机与目标

• 探讨利用褶皱石墨烯膜作为双稳态板在忆阻电容器件中实现非易失性存储的可行性。
• 确定在向上到向下和向下到向上两个方向上实现可靠突跃跃迁所需的阈值开关力。
• 利用高精度DFT计算验证分子动力学和弹性理论的结果。
• 评估在环境条件下双稳态膜态的热稳定性和信息保持时间。

提出的方法

• 通过分子动力学（MD）模拟，研究了在外部力作用下夹持石墨烯膜的动态行为。
• 应用弹性理论，推导了突跃跃迁中阈值开关力的解析表达式。
• 建立了一种现象学弹性模型，以描述膜的非线性屈曲与弹跳行为。
• 采用密度泛函理论（DFT）计算变形能，并验证向上到向下跃迁的能量势垒。
• 所有模拟中均使用弯曲刚度 $ D = 1.6 $ eV 和二维杨氏模量 $ E_{2D} = 340 $ N/m 作为输入参数。
• 利用阿伦尼乌斯方程估算热激活开关速率，以评估长期数据保持性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 石墨烯膜在向上到向下和向下到向上突跃跃迁中所需的阈值开关力是多少？
• RQ2 MD模拟结果与弹性理论及DFT计算结果的对比如何？
• RQ3 突跃跃迁的能量势垒高度是多少，其对热稳定性有何影响？
• RQ4 在环境条件下，膜的双稳态能保持信息多长时间？
• RQ5 MD、DFT与弹性理论的结合能否为二维膜的突跃行为提供一致且可预测的模型？

主要发现

• 通过DFT计算，C3构型在向上到向下跃迁中的阈值开关力为 $ 235.3 Dw/L^2 $，与MD和弹性理论结果高度一致。
• DFT计算证实，在夹持边界条件下，向上到向下跃迁存在对称与非对称两种路径，其中非对称路径具有更低的能量势垒。
• 对于 $ d/L = 0.98 $ 的膜，MD模拟在至少10 ns内未观察到任何开关事件，表明其具有高稳定性。
• 利用阿伦尼乌斯方程，当 $ E_b = 1.8 $ eV 且 $ d/L = 0.94 $ 时，估算的热开关时间在300 K下超过40,000年。
• DFT计算得到的弯曲刚度（$ D^{DFT} = 1.75 $ eV）与实验值（$ D = 1.6 $ eV）高度一致。
• 随着 $ d/L $ 减小，突跃跃迁的能量势垒升高，表明更受限的膜具有更强的稳定性。