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）是碳同素同素异形体，由于其出色的电性能，预计将应用于电子设备。 SWCNT的电性能取决于称为手性的结构，因此需要与单个结构合成SWCNT。在实验中，有报道称SWCNT的纯度为94％，尽管在理论研究中提出了几种结构确定的机制，但两者之间通过模拟之间缺乏桥梁，并且没有结论结构确定的机制。在这项研究中，我们使用了一个称为分子动力学方法的模拟系统，该模拟系统已成功地重现了可以结构构建的高质量SWCNT的生长，并使用已报告的合金催化剂来复制SWCNT的合成，以合成高质量单结构SWCNT，并在swcnts swccn中使用高质量单结构swcnts，并将其合成。在使用合金催化剂进行模拟时，创建了表示两种类型的金属（铁和钴）之间相互作用的函数，并使用对两种金属和碳的三个物体之间的相互作用进行近似进行了仿真，并且发现更改金属催化剂的比例会改变SWCNT的生长过程。此外，获得的结果是，将铁和钴的催化剂混合一定比例的催化剂，与单独使用铁或钴制成的催化剂相比，SWCNT可以在温度范围更大的温度范围内稳定生长。当我们对单独使用钴的催化剂大小进行变化的SWCNT进行合成模拟时，我们确认了SWCNT的生长来自两种类型的钴碳化物催化剂。大型系统中不存在钴碳化物，但是通过电子显微镜作为SWCNT的合成催化剂证实它们，使其适合比较该模拟和真实系统。还讨论了钴碳化物催化剂的SWCNT生长机制，并且在此模拟中可以观察到的新机制也值得讨论。

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）

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

DOI：
发表时间：
2019
期刊：
影响因子：
0
作者：
R. Yoshikawa;K. Hisama;H. Ukai;Y. Takagi;T. Inoue;S. Chiashi;S. Maruyama;吉川亮，久間馨，向井協，橋本翔，千足昇平，丸山茂夫
通讯作者：
吉川亮，久間馨，向井協，橋本翔，千足昇平，丸山茂夫