[论文解读] Thermal stability of a free nanotube from single-layer black phosphorus

Kun Cai, Jing Wan+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 23, 2015

2D Materials and Applications参考文献 23被引用 4

一句话总结

本研究通过分子动力学模拟，研究了从单层黑磷衍生的自支撑黑磷纳米管（BPNTs）的热稳定性。研究识别出关键的失效阈值——键长超过0.279 nm或非键合原子间距超过0.389 nm——作为结构坍塌的指标，结论指出，减小曲率和降低工作温度可增强其稳定性，适用于纳米机电系统（NEMS）应用。

ABSTRACT

Similar to the carbon nanotube fabricated from graphene sheet, a black phosphorus nanotube (BPNT) also can theoretically be produced by curling the rectangular single-layer black phosphorus (SLBP). In present study, the effect of thermal vibration of atoms on the failure of a BPNT is investigated using molecular dynamics simulations. Two types of double-shell BPNTs, which are obtained by curling the rectangular SLBP along its armchair/pucker direction and zigzag direction (in-plane normal) respectively, are involved in simulation. At finite temperature, a bond on the outer shell of tube is under tension due to both of curvature of tube and serious thermal vibration of atoms. As the length of a bond with such elongation approaches its critical value, i.e., 0.279 nm, or the smallest distance between two nonbonding phosphorus atoms is over 0.389nm caused by great variation of bond angle, the tube fails quickly. The critical stable states of either an armchair or a zigzag BPNT at finite temperature are calculated and compared. To achieve a stable BPNT with high robustness, the curvature of the tube should be reduced or the tube should work at a lower temperature. Only when the BPNT has structural stability, it has a potential application as a nanowire in a future nano electro-mechanical system (NEMS).

研究动机与目标

• 评估有限温度条件下自支撑黑磷纳米管（BPNTs）的热稳定性。
• 研究原子热振动和曲率诱导应变导致的BPNTs结构失效机理。
• 比较在热载荷下扶手型和锯齿型BPNTs的稳定性。
• 确定BPNTs结构失效的关键几何与能量阈值。
• 为适用于纳米机电系统（NEMS）的可靠BPNTs制定设计准则。

提出的方法

• 采用经典分子动力学（MD）模拟，模拟双层BPNTs的热行为。
• 通过沿扶手型和锯齿型方向卷曲矩形单层黑磷（SLBP），构建BPNTs。
• 施加有限温度动力学，模拟原子热振动及其对键长伸长的影响。
• 追踪键长演化和非键合原子间距，以检测失效的起始点。
• 当键长超过0.279 nm或非键合P–P间距超过0.389 nm时定义为失效。
• 比较扶手型与锯齿型BPNT构型之间的临界稳定状态，以评估方向稳定性差异。

实验结果

研究问题

• RQ1 导致自支撑BPNT结构失效的关键热力学与几何条件是什么？
• RQ2 曲率方向（扶手型与锯齿型）如何影响BPNTs的热稳定性？
• RQ3 热振动与曲率在多大程度上共同引起BPNTs的键长伸长与键角畸变？
• RQ4 触发BPNTs快速失效的键长伸长与非键合原子间距分离的阈值是多少？
• RQ5 在何种条件下，BPNTs可保持结构完整性以适用于潜在的NEMS应用？

主要发现

• BPNTs发生失效的临界键长为0.279 nm，对应由曲率和热运动引起的拉伸应力状态。
• 当非键合磷原子间的最小距离超过0.389 nm时，也会触发失效，原因是非键合键角过度畸变。
• 在相同热条件下，锯齿型BPNT的热稳定性低于扶手型BPNT。
• 热振动显著加剧外层键的应变，使其成为主要的失效起始点。
• 减小管曲率或在较低温度下工作可提高BPNTs的结构鲁棒性。
• 结构稳定性是BPNTs在纳米机电系统（NEMS）中实现任何实际应用的先决条件。