1709823396
2024-03-07 14:45:42
形 2 ({1073},textrm{K})、({1273},textrm{K})、({ 1473},textrm{K})。 融点を超える炭素原子のダイナミクス (({1273},textrm{K}) および ({1473},textrm{K})) は十分に活性化され、炭素原子はそれぞれの立場を自由に交換できます。 表面に垂直な方向の炭素の平均速度は、次の式を使用して推定されました。
$$begin{aligned} {bar{v}}=sum _{t={50}}^{{100},textrm{ns}}|z(t+Delta t)-z
(1)
平均速度は ({1073},textrm{K})、({126},{ における ({5.4},{textrm{mm}/textrm{s}}) でした。 textrm{mm}/textrm{s}})、({1273},textrm{K})、および ({143},{textrm{mm}/textrm{s} }) ({1473},textrm{K}) で、すべての速度は報告されている CNT 成長速度よりもはるかに高かった。 したがって、CNT 成長のボトルネック プロセスはセメンタイト構造内部からの炭素供給ではなく、界面での C-C 結合の形成であると結論付けることができます。 この研究における CNT 成長の引き上げ速度は ({1},{textrm{mm}/textrm{s}}) で、実験で報告された速度と比較すると比較的速いですが、かなりの速度です。炭素源の観点から可能な速度。
(a, d) ({1073},textrm{K}), (b, e) におけるセメンタイト内の (a, b, c) 炭素原子と (d, e, f) 鉄原子の Z 位置最後の ({50},textrm{ns} の間の ({1273},textrm{K}) および (c, f) ({1473},textrm{K}) ) の ({100},textrm{ns}) の平衡。 青から赤までの色は、({50},textrm{ns}) の Z 位置に対応します。
上記の結果に基づいて、セメンタイト表面上で成長する CNT の MD シミュレーションを ({1},{textrm{mm}/textrm{s}}) の引き上げ速度で実行しました。 500 ns シミュレーション中の完全な軌跡は補足ビデオで利用できます。 S1–S3。 形 3a、c、e は、({1073},textrm{K} におけるアームチェア型、キラル型、およびジグザグ型 CNT の ({500},{textrm{ns}}) MD シミュレーションの最終構造を示しています。 )。 これは、({1073},textrm{K}) のセメンタイトからの炭素供給が不十分であり、引き上げられた CNT がすべてのキラリティーにおいてセメンタイトの表面から分離されていることを示しています。 セメンタイト中の炭素原子の平均速度はCNTの引き上げ速度よりも速かったが、表面付近の炭素原子のみが移動し、セメンタイト底部からの炭素の拡散は起こらなかった。 セメンタイト中の原子のほとんどは初期位置を維持しており、セメンタイト中の炭素原子が CNT の引き上げ速度に追いつくことができず、アームチェア用 CNT のセメンタイトが持ち上がり、アームチェア CNT が破壊されました。キラル CNT およびジグザグ CNT の CNT とセメンタイト間の接続。 図に示すように、6員環の数の軌跡はCNTキラリティーに関係なくほぼ変化しませんでした。 3b、d、f、一方、5 員環の値はシミュレーション時間とともに増加します。これは、CNT エッジのダングリング ボンドが形成され、隣接する炭素との結合を形成してエネルギーが低下する傾向があるためです。 低温条件とは対照的に、({1273},textrm{K}) の最終構造は、図に示すように、CNT がすべてのキラリティーでセメンタイト表面に結合していることを示しています。 4エース。 シミュレーション時間が増加するにつれて、6員環の数は初期値からほぼ単調に増加し、5員環や7員環などの安定した欠陥リングは形成されませんでした（図1）。 4b、d、f)。 キラル CNT の 6 員環の増加挙動は ({1273},textrm{K}) における他のものとは異なることに注意してください。 キラル CNT の 6 員環の数はシミュレーション全体を通じて増加し続けましたが、アームチェア型 CNT とジグザグ型 CNT の六員環の数はシミュレーション時間の約半分でほぼ飽和し、キラル CNT の数の半分にしか達しませんでした。 これらの結果は、キラル CNT が ({1},{textrm{mm}/textrm{s}}) の速度でも ({1273},textrm{K} で安定に成長できることを示しています) )、これはセメンタイトの融点を超えています。 高温条件下では、図に示すように CNT は初期の長さから最終的に伸びますが、 5a、c、e では、CNT はセメンタイト表面に吸収され、シミュレーションの初期段階で CNT の再構成が発生しました。 したがって、図に示すように、六員環の数は、初期には減少し、セメンタイトのうねりに伴って初期値を下回って増加し、最終的には初期値を超えて増加することを繰り返します。 5b、d、f。 CNT再構築プロセス中の欠陥リングの再構築を図に示します。 5b. ({1473},textrm{K}) ではセメンタイトの流動性が高いため、欠陥が発生する可能性があります。 ({1},textrm{mm}/textrm{s}) の速度で CNT を成長させるには融点を超える温度が必要ですが、温度が高すぎると欠陥が発生し、キラリティーが変化したり、CNT が変形したりする可能性があります。セメンタイト表面から分離します。
(a、c、e) ({500},textrm{ns}) シミュレーション後の MD スナップショット、(b、d、f) の 6 員環、5 員環、および 7 員環の数(a、b) アームチェア、(c、d) キラル、および (e、f) ({1073},textrm{K}) のジグザグ CNT。 (b、d、f) の点線は、6 員環の初期数を示します。
(a、c、e) ({500},textrm{ns}) シミュレーション後の MD スナップショット、(b、d、f) の 6 員環、5 員環、および 7 員環の数(a、b) アームチェア、(c、d) キラル、(e、f) ({1273},textrm{K}) のジグザグ CNT。 (b、d、f) の点線は、6 員環の初期数を示します。
(a、c、e) ({500},textrm{ns}) シミュレーション後の MD スナップショット、(b、d、f) の 6 員環、5 員環、および 7 員環の数(a、b) アームチェア、(c、d) キラル、および (e、f) ({1473},textrm{K}) のジグザグ CNT。 (b、d、f) の点線は、6 員環の初期数を示します。
セメンタイト内の炭素の拡散を調査するために、シミュレーション時間にわたるセメンタイト内の炭素原子の z 位置の変化を分析しました。 ({1073},textrm{K}) では、表面から約 ({1},textrm{nm}) の深さにある炭素原子のみが移動し、ほとんどの炭素原子は移動しました。セメンタイトでは、前述したように初期位置をほぼ維持しました。 ただし、炭素原子は、({1273},textrm{K}) と ({1473} では ({2},textrm{nm}) の厚さで可動領域全体を移動しました。 ,textrm{K}) セメンタイトの溶融によるものです。 この炭素拡散の違いを反映して、({500},textrm{ns}) シミュレーション後の炭素原子の分布も、({1073},textrm{K}) とそれ以上の間で異なる挙動を示しました。 、図に示すように。 6。 CNT のキラリティに関係なく、炭素原子の数は ({1073},textrm{K}) では表面付近のみで減少しましたが、({1273},textrm{K}) では炭素の分布が減少しました。と ({1473},textrm{K}) は ({1073},textrm{K}) より平坦でした。 ({1273},textrm{K}) と ({1473},textrm{K}) では、炭素原子がセメンタイトの下部からセメンタイト表面に供給され、そこで炭素原子がCNT の成長に使用されるため削減されました。 セメンタイト中の炭素原子は ({1073},textrm{K}) の炭素原子よりも多くの炭素原子が CNT の成長に寄与できるため、CNT は ({1273},textrm{K}) および ( {1473},textrm{K})、CNT 引き上げ速度 ({1},textrm{mm}/textrm{s})。 特に、キラル CNT は成長を続けることができます。
(a) アームチェア CNT、(b) キラル CNT、および (c) ジグザグ CNT の ({500},textrm{ns}) シミュレーション後のセメンタイト内の炭素原子の分布。
形 7 キラル CNT の初期成長ステップを示します。 新しい 6 員環が CNT エッジに沿って斜めに構築されました。 これは明らかなキラル成長を示しており、キラル (6,4) CNT につながります。キラル (6,4) CNT はアームチェア型 CNT に近く、純粋なアームチェア型 CNT やジグザグ型 CNT と比較して成長が容易です。39。 肘掛け椅子の端とジグザグの CNT はセメンタイト構造の表面と平行です。 したがって、効率的に CNT を成長させるには、多くの炭素原子がセメンタイトから CNT エッジに同時に近づく必要があります。 しかし、キラルCNTの端の炭素原子は同一平面上にないため、炭素原子に到達するまでの時間の遅れは許容される。 したがって、キラル CNT は ({1273},textrm{K}) で ({1},textrm{mm}/textrm{s}) の速度で安定して成長し続けます。アームチェア型およびジグザグ型 CNT の成長は、CNT 引き上げ速度に完全には追いつきません。
({1273},textrm{K}) におけるキラル CNT の初期成長ステップの MD スナップショット。 黒、灰色、赤、オレンジ色の原子は、それぞれ通常の炭素原子、等速で引き上げられた炭素原子、CNT エッジ、CNT エッジに付着した炭素原子を示します。
#引張ひずみ下でのカーボンナノチューブ成長の分子動力学シミュレーション