分子動力学法シミュレーションによる単層カーボンナノチューブの成長機構解析

利用分子动力学模拟分析单壁碳纳米管的生长机制

基本信息

批准号：
19J13916
负责人：
吉川亮
金额：
$ 1.09万
依托单位：
The University of Tokyo
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2019
资助国家：
日本
起止时间：
2019-04-25 至 2021-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

単層カーボンナノチューブ(SWCNT)は，優れた電気的特性から電子デバイスへの応用が期待されている炭素の同素体である．SWCNTの電気的特性はカイラリティと呼ばれる構造によって異なり，したがって単一の構造を持つSWCNTの合成が望ましい．実験においては単一の構造を持つSWCNTを94%の純度で合成した報告があり，理論研究でも構造決定機構がいくつか提案されているが，シミュレーションによる両者の橋渡しが不足しており，構造決定機構の決着はついていない．本研究では構造決定可能な良質のSWCNTの成長再現に成功した分子動力学法と呼ばれるシミュレーション系を用いて，高純度な単一構造SWCNTの合成の報告がある合金触媒のほか，広くSWCNT合成に用いられる金属触媒を用いてSWCNTの合成を再現している．合金触媒を用いたシミュレーションを行うにあたって，2種の金属(鉄とコバルト)の相互作用を表す関数を作成し，2種の金属および炭素の3体間の相互作用に近似を用いてシミュレーションを行ったところ，金属触媒の割合を変化させるとSWCNT成長の様子が連続的に変化することが分かった．また，鉄とコバルトをある割合で混ぜた触媒は，鉄単体やコバルト単体の触媒と比較するとより広い温度帯で安定にSWCNTを成長させるという結果が得られた．コバルト単体の触媒について，触媒の大きさを変化させてSWCNTの合成シミュレーションを行ったところ，2種類のコバルト炭化物触媒からSWCNTの成長が確認できた．コバルト炭化物は大きな系では存在しないが，SWCNTの合成触媒として電子顕微鏡観察で確認されており，このシミュレーションと現実の系の比較に適している．また，コバルト炭化物触媒からのSWCNT成長機構についても議論があり，このシミュレーションにおいて新しく観察できた機構も議論に値するものである．

单壁碳纳米管（SWCNT）是碳的同素异形体，因其优异的电性能而有望应用于电子器件。单壁碳纳米管的电性能根据其结构而变化，称为手性，因此需要合成具有单一结构的单壁碳纳米管。有报道称，实验中合成了单一结构的单壁碳纳米管，纯度为94%，理论研究中也提出了多种结构决定机制，但两者之间缺乏通过模拟的桥接，结构决定机制尚未实现。尚未做出有关该组织的决定。在这项研究中，我们使用了一种称为分子动力学方法的模拟系统，该系统成功地再现了高质量单壁碳纳米管的生长，其结构可以通过使用所使用的金属催化剂来再现。在使用合金催化剂进行模拟时，我们创建了一个代表两种金属（铁和钴）之间相互作用的函数，并使用两种金属和碳之间的三体相互作用的近似值进行了模拟，结果是：研究发现，当金属催化剂的比例改变时，SWCNT的生长模式不断变化。此外，结果表明，与仅含有铁或钴的催化剂相比，含有一定比例的铁和钴的催化剂可以在更宽的温度范围内稳定地生长SWCNT。当我们通过使用单一钴催化剂改变催化剂尺寸来模拟单壁碳纳米管的合成时，我们证实了两种类型的碳化钴催化剂都可以生长单壁碳纳米管。尽管碳化钴在大型系统中并不存在，但电子显微镜已证实它是单壁碳纳米管合成的催化剂，因此适合将该模拟与真实系统进行比较。关于碳化钴催化剂的单壁碳纳米管生长机制也存在争议，该模拟中新观察到的机制也值得讨论。

项目成果

期刊论文数量（2）

专著数量（0）

科研奖励数量（0）

会议论文数量（0）

专利数量（0）

Molecular Dynamics of Chirality Definable Growth of Single-Walled Carbon Nanotubes

单壁碳纳米管手性可定义生长的分子动力学

DOI：
10.1021/acsnano.8b09754
发表时间：
2019
期刊：
影响因子：
17.1
作者：
R. Yoshikawa; K. Hisama; H. Ukai; Y. Takagi; T. Inoue; S. Chiashi; S. Maruyama
通讯作者：
S. Maruyama

Molecular Dynamics of Chirality Definable Growth of Single-Walled Carbon Nanotubes

单壁碳纳米管手性可定义生长的分子动力学

DOI：
10.1021/acsnano.8b09754
发表时间：
2019
期刊：
影响因子：
17.1
作者：
R. Yoshikawa; K. Hisama; H. Ukai; Y. Takagi; T. Inoue; S. Chiashi; S. Maruyama
通讯作者：
S. Maruyama

異なるカイラリティの単層CNT成長の分子動力学

不同手性单壁碳纳米管生长的分子动力学