하이드록실 기 기능화로 탄소 나노튜브 슬라이드-롤 운동 제어

요약

탄소 나노튜브 운동 제어는 나노로봇 등 나노소자 조작에 핵심적입니다. 분자 동역학 시뮬레이션으로 Si 기판 위 SWCNT(10,10) 운동 거동을 조사했습니다. 하이드록실 기가 탄소 나노튜브 운동 모드에 민감한 영향을 미침을 보였습니다. 탄소 나노튜브와 실리콘 기판 표면 하이드록실 기 비율이 각각 10%, 20% 이상이면 탄소 나노튜브 운동이 슬라이딩에서 롤링으로 전환됩니다. 비율이 더 낮으면 탄소 나노튜브 속도에 따라 슬라이드 또는 롤 모드 제어 가능하며, 이는 궁극적으로 계면 위치 에너지와 운동 에너지 경쟁에 의해 결정됩니다. 운동 모드 변화는 하이드록실 기를 가진 다양한 탄소 나노튜브에서도 성립합니다. 카이랄리티는 하이드록실 기 비율에 기인해 직경과 달리 운동 거동에 거의 영향을 주지 않습니다. 본 연구는 하이드록실 기를 통한 탄소 나노튜브 운동 거동 제어 새 길을 제시합니다.

배경

표면과 계면 효과로 나노전자기계시스템(NEMS)과 나노로봇 운동 거동 제어는 복잡하고 어려운 과제입니다. 자연, 합성, 물리 등 다양한 에너지원으로 나노/마이크로모터 기계적 운동 제어 가능[1]. 예: 비극성 나노카 단방향 구동[2], 외부 전기장으로 4륜 분자 방향 제어[3], 열적 구동 분자 나노카 방향 제어[4].

탄소 나노튜브는 우수한 전기적, 기계적, 열적 특성으로 NEMS에서 중요 역할. 나노기어[5], 나노모터[6,7], 나노베어링[8,9], 나노스케일 전자기계 액추에이터[10] 등 탄소 나노튜브 기반 나노소자 설계됨. 하지만 이들 나노소자 운동 튜닝은 여전히 미해결 문제. 열 기울기로 동축 나노튜브 구동[11] 보고. 한편 계면 상합/비상합 상태[12], 탄소 나노튜브 변형[13-15], 모터 끝에 수소 도입[16] 등 탄소 나노튜브 운동 거동 영향 요인 연구됨. 이 중 탄소 나노튜브에 기능기 도입이 상대적으로 용이. 표면 불소화 탄소 나노튜브[17], 다양한 기능기 그래핀 산화물 층[18], 수소화 그래핀[19,20] 마찰 특성 연구됨. 하지만 하이드록실 기 도입이 탄소 나노튜브 운동 거동에 미치는 영향은 지금까지 보고되지 않음. 본 논문은 하이드록실 기 도입으로 탄소 나노튜브 롤링/슬라이딩 거동 튜닝 가능함을 입증. 랙-피니언 나노기어 등 탄소 나노튜브 기반 정교한 분자 기계 시스템 방향 제어 운동에 시사점 제공. 나노스크롤 등 다른 원통형 나노물질[21]에도 운동 제어 가능성 제시.

방법

시뮬레이션 모델은 단일벽 탄소 나노튜브(10,10)(SWCNT)와 Si 기판으로 구성. 그림 1과 같이 세 가지 구조 고려. 모델 a: 이상적 모델(그림 1a), 수평 방향 탄소 나노튜브와 Si 기판. 모델 b: 하이드록실 기 덮인 Si 기판과 탄소 나노튜브(그림 1b). 모델 c: 탄소 나노튜브와 Si 기판 양쪽 표면에 하이드록실 기 덮인 경우(그림 1c). Si 기판 하이드록실 기 함량은 Si 기판 표면 Si 원자 수 대비 하이드록실 기 수 비율. Si(001) 기판 크기 x 방향 8.01 nm, y 방향 7.98 nm, 5400 Si 원자 구성.

탄소 나노튜브 내 C 원자 간 상호작용은 AIREBO 퍼텐셜[22], Si 기판 내 Si 원자 간 상호작용은 TERSOFF 퍼텐셜[23] 적용. AIREBO에 O 원자 없으므로 Si 기판 Si-O-H와 탄소 나노튜브 C-O-H 기술 위해 OPLS 힘장[24-27] 사용. 모델 c 계면 수소 결합은 DREIDING 힘장[28]으로 계산. 탄소 나노튜브와 Si 기판 간 반데르발스 힘은 클래식 12-6 레나드-존스(L-J) 퍼텐셜[29]로 기술. C, H, O 파라미터는 문헌[25], Si 파라미터는 문헌[28] 참조. 탄소 나노튜브 운동 시뮬레이션은 LAMMPS[30]로 수행. 모든 시뮬레이션 캐노니컬 앙상블(NVT). 시스템 온도 300 K. 모델 a에서 Nosé-Hoover 서모스탯과 Langevin 서모스탯 비교 시 Langevin이 탄소 나노튜브 운동에 거의 영향 주지 않고 평형 도달 용이해 Langevin 채택. Langevin 서모스탯 감쇠 계수 t_r(랑주방정식 난수 힘 기여)은 모든 경우 0.1 ps[31]. Si 기판 최하층 원자 고정해 Si 웨이퍼 모사. x, y 방향 주기 경계 조건. y 방향에서 탄소 나노튜브와 Si 기판 동일 주기 경계 위해 Si 기판 y 방향 1.90% 압축, 영향 무시 가능. 동역학 방정식 수치 적분은 0.001 ps 타임스텝으로 Velocity-Verlet 알고리즘. 시뮬레이션 과정: 1) 에너지 최소화로 시스템 구조 최적화. 2) 100 ps 이완으로 평형 도달 확인. 3) 탄소 나노튜브 중심 측면 힘 0으로 설정해 x 방향 일정 속도 또는 일정 힘 부여해 Si 기판 위 이동.

결과 및 논의

먼저 탄소 나노튜브에 x 방향 일정 병진 속도 10 m/s 부여. 모델 a, b 모두 탄소 나노튜브가 기판 위 슬라이딩. 하지만 모델 c(양쪽 표면 하이드록실 기)에서 롤링 발생. 탄소 나노튜브와 Si 기판 하이드록실 기 비율 모두 10%일 때 탄소 나노튜브가 약간 슬라이딩 동반하며 Si 기판 위 롤링(추가 파일 1: Movie S1). 하이드록실 기 비율이 탄소 나노튜브 10%, Si 기판 20%면 시뮬레이션 시간 동안 롤링 유지(추가 파일 2: Movie S2). 그림 2a는 탄소 나노튜브 10%, Si 기판 20% 하이드록실 기 비율에서 탄소 나노튜브 위 C 원자 3차원 운동 궤적. C 원자 운동이 탄소 나노튜브 운동 대표(형상 현저 변화 없음). 탄소 나노튜브 z 방향 좌표가 뚜렷하게 위아래 움직이며 최대 z 변위 약 1.3 nm, SWCNT(10,10) 직경 1.38 nm와 유사. 롤링 운동 지시. 탄소 나노튜브 x 방향으로 약 10.8 nm 이동. 일정 속도 10 m/s로 950 ps 동안 9.5 nm 이동하므로 x 방향 추가 이동 거리 1.3 nm, 최대 z 변위와 같아 롤링이 지배적. 약간 y 방향 슬라이딩도 발생. 원인은 하이드록실 기 무작위 분포로 탄소 나노튜브 축 방향 불평형 힘 발생해 y 방향 슬라이딩 유발. 유사 현상 다른 연구[31]에서도 발견.

탄소 나노튜브와 Si 기판 하이드록실 기 비율 5%/5%, 5%/10%로 변경 시 운동 양상 달라짐. 그림 2b는 하이드록실 기 비율 5%/5%, 5%/10%, 10%/10%, 10%/20%에서 탄소 나노튜브 위 C 원자 z 좌표 시간 변화. 5%/5%, 5%/10% 경우 슬라이딩이 주 운동, 약간 롤링 동반. 5%/5% 경우 약 500 ps 슬라이딩 후 약간 롤링, 이후 약 500 ps 롤링. 5%/10% 경우 약 500 ps 슬라이딩 후 약간 롤링, 이후 계속 슬라이딩.

하이드록실 기에 의한 운동 모드 변화 메커니즘 규명을 위해 계면 위치 에너지 조사. SWCNT 운동 거동은 계면 위치 장벽 영향[15]. 모델 a, c 계면 위치 에너지 그림 3a, b에 표시(이완 후 탄소 나노튜브 x, y 방향 20.0 nm 슬라이딩 허용 후 얻음). 모델 c에서 탄소 나노튜브 계속 롤링하는 10%/20% 경우 선택. 이상적 모델 a에서 탄소 나노튜브와 Si 기판 비상합 상태로 계면 위치 에너지 분포 균일. 결과 탄소 나노튜브 슬라이딩. 모델 c에서 계면 하이드록실 기 상호작용으로 계면 위치 에너지 막대 변화. 국소 위치 장벽 피크가 10⁷ eV 차수 도달. 하이드록실 기 무작위 분포로 높은 위치 장벽 균일 분포. 탄소 나노튜브가 위치 장벽 직접 넘을 수 없어 계면 위치 장벽 낮추려 롤링. 위치 장벽이 무작위 분포로 전체 표면 덮여 x 방향 롤링 지속. 5%/5%, 5%/10%, 10%/10% 경우 위치 장벽이 10%/20%보다 상대적으로 낮음. 계면 하이드록실 기 적어 상호작용 약함. 탄소 나노튜브 운동 에너지가 장벽보다 크면 슬라이딩, 아니면 롤링 시작.

하이드록실 기 도입이 탄소 나노튜브 운동뿐 아니라 계면 마찰에도 영향. 그림 3c는 6가지 경우(하이드록실 비율 0/0, 0/10%, 5%/5%, 5%/10%, 10%/10%, 10%/20%) 평균 마찰력. 하이드록실 비율 증가에 따라 평균 마찰력 유의미 증가. 모델 a, b 평균 마찰력 거의 0. 표면 거칠기 증가로 모델 b 마찰력이 이상적 모델 a보다 큼. 그림 3c 삽입에서 모델 b 측면 힘 변동이 모델 a보다 큼. 모델 c에서 탄소 나노튜브와 Si 기판 모두 하이드록실 기 접목돼 측면 힘 변동과 평균 마찰력이 모델 a, b보다 현저히 큼. 10%/20%에서 평균 마찰력 약 2.19 nN 증가.

마찰과 운동 거동 메커니즘 심층 이해 위해 운동 중 화학 결합 연구. 계면 하이드록실 기 간 수소 결합 형성 관측. 6가지 경우 평균 수소 결합 수 그림 3d. 수소 결합 수 증가가 하이드록실 비율 증가에 따른 높은 위치 장벽과 마찰 초래. 수소 결합이 마찰에 큰 영향[32]과 일치.

탄소 나노튜브 운동 거동은 계면 하이드록실 기뿐 아니라 탄소 나노튜브 속도 영향도 받음. 특히 계면 하이드록실 기 적어 위치 장벽 상대적으로 낮을 때. 탄소 나노튜브 속도 20, 50, 70 m/s에서 하이드록실 비율 5%/5% 경우 C 원자 z 좌표 시간 변화 그림 4a. 20 m/s에서 롤링 지배. 50 m/s에서 x 방향 50 nm 이동하며 1회전 롤링, 슬라이딩과 롤링 번갈아 발생. 70 m/s에서 주로 슬라이딩, 약간 롤링 동반. 이유: 계면 장벽 상대적으로 낮을 때 탄소 나노튜브 운동 에너지 크면 직접 통과, 작으면 장벽 낮추려 롤링 경향. 하이드록실 비율 5%/5%에서 탄소 나노튜브 속도에 따른 평균 마찰력 곡선 그림 4b. 마찰력이 속도 증가에 따라 감소, 다른 연구자 실험 결과와 일치[32].

탄소 나노튜브 x 방향 일정 외부 힘 부여로 유사 결과 얻음. 외부 힘 크면 탄소 나노튜브만 슬라이딩. 너무 작으면 이동 불가. 결과 0.000625 nN 일정 외부 힘에서 롤-슬라이드 전이 발생. 그림 4c는 하이드록실 비율 5%/10%에서 탄소 나노튜브 위 C 원자 z 좌표. 초기 단계 z 좌표 뚜렷 증가로 롤링 모드. 후기 단계 z 좌표 큰 변화 없어 슬라이딩 지배. 이유: 초기 운동 에너지 작아 계면 장벽 직접 넘기 못해 롤링. 운동 에너지 증가로 롤→슬라이드 전환.

카이랄 각도, 직경, 길이 영향 추가 조사. 먼저 SWCNT(11,9), (12,8), (13,7), (14,6), (15,0) 다섯 구성으로 카이랄 각도 효과 검토. 직경 거의 같고 각도 다름. 결과 SWCNT(10,10)과 운동 거동 동일해 카이랄 각도 효과 무시 가능. 다음 SWCNT(7,7), (15,15), (20,20), (25,25)로 직경 영향 연구. 모델 a, b 결과 SWCNT(10,10)과 유사. 모델 c에서 결과 다름. SWCNT(15,15), (20,20), (25,25) 운동 모드 연속 롤링 전환 시 하이드록실 비율 각각 10%/25%, 15%/30%, 20%/30%. 직경 클수록 운동 모드 전환 시 더 높은 하이드록실 비율 필요. 이유: 계면 접촉 면적 변화 탓. 계면 구조에서 SWCNT(15,15), (20,20), (25,25) 모두 바닥에 플랫폼 존재(그림 5), 마찰 증가와 롤링 어려움 초래. 더 높은 하이드록실 비율로 강한 계면 상호작용 제공해 최종 롤링 발생. SWCNT(7,7), (10,10) 모두 바닥 플랫폼 없어 운동 거동 거의 동일. 마지막으로 SWCNT(10,10) 길이 변경으로 길이 영향 탐구. 21.7, 54.3, 81.4 nm 세 길이 명시적 검토. 21.7 nm 경우 초기 모델 c와 일치. 54.3, 81.4 nm 경우 길이-직경 종횡비 커 롤링 과정 중 약간 굽힘 변형 발생.

결론

요약하면 계면 하이드록실 기 도입으로 수소 결합 형성, 계면 장벽과 마찰 증가. 탄소 나노튜브 Si 기판 위 운동 모드(슬라이드/롤)는 계면 하이드록실 기 비율과 탄소 나노튜브 속도로 튜닝 가능. 하이드록실 비율이 작을 때(<10%/20%) 탄소 나노튜브 운동은 계면 위치 장벽과 운동 에너지에 의존. 운동 에너지 높으면 슬라이딩, 낮으면 장벽 낮추려 롤링. 하이드록실 비율이 10%/20% 초과해 계면 위치 에너지 장벽 매우 높으면 탄소 나노튜브 계속 롤링. 카이랄 각도, 길이, 직경 다른 CNT에도 하이드록실 비율 조절로 운동 모드 튜닝 가능. 탄소 나노튜브 운동 모드에 대한 하이드록실 기 효과로 CNT 운동 제어 가능, 프로그래머블 나노소자 제작 길 열림.

약어

LAMMPS:

대규모 원자/분자 병렬 시뮬레이터

NEMs:

나노전자기계시스템

SWCNTs:

단일벽 탄소 나노튜브