Bernal stacking promoted shear exfoliation of bilayer nanoplates
- 발행기관 서강대학교 일반대학원
- 지도교수 성봉준
- 발행년도 2018
- 학위수여년월 2018. 2
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 화학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/sogang/000000062845
- 본문언어 영어
- 저작권 서강대학교 논문은 저작권보호를 받습니다.
초록/요약
Nanoplates such as graphene and MoS2 are promising materials due to their excel- lent electronic and mechanical properties. The preparation of such nanoplates is, however, still challenging because the exfoliation of multilayer nanoplates requires the nanoplates to overcome a large free energy barrier. In case of a Bernal-stacked bilayer graphene, the binding energy between two graphene layers is about 17.8 meV per atom such that harsh chemical and/or mechanical treatment is usually necessary. In this paper, we perform ex- tensive molecular dynamics simulations for a generic model of nanoplates, and illustrate that when the shear of a moderate shear rate is applied to the nanoplate bilayer, two layers may exfoliate readily. In our simulations, the free energy barrier that two layers need to overcome reaches up to 21.7kBT , where kB and T denote the Boltzmann constant and temper- ature, respectively. This implies that the two nanoplates would hardly become exfoliated if there were no chemical and mechanical treatment. Upon the application of shear, however, the transition between different Bernal stacked conformations occurs, which provides mul- tiple intermediate states for exfoliation and facilitates the shear exfoliation. We also find that if one were to increase the affinity between solvent and nanoplates slightly, the free energy barrier would be decreased significantly.
more초록/요약
나노미터 크기의 2차원 평면 결정 분자들은 겹겹이 쌓인 층 구조를 이루고 있는데, 그 이유는 층과 층 사이에 존재하는 수많은 반데르발스 상호작용이 서로 다른 층을 강하게 결합시키기 때문이다. 최근 한 연구는 전단 흐름이 작용하는 액체에 이러한 평면 결정 분자를 넣게 되면 단일 층을 분리해내는데 효과적이라는 결과를 실험을 통 해 보여주었다. 이에 따라, 본 연구에서는 전단 흐름이 작용하는 액체 내에서 두 장 의 평면 결정 분자가 분리될 때, 어떤 미시적인 원리에 의해 분리가 되는지에 대해 분자 동역학 시뮬레이션을 이용해 알아보는 것을 주제로 하였다. 두 장의 평면 결정 분자는 분리되기 위해서 열역학적으로 매우 높은 자유에너지 장 벽을 넘어야 한다. 우리는 이 연구를 통해 전단 흐름과 용매의 결정 분자에 대한 친 화도, 그리고 평면 결정 분자가 본질적으로 가지고 있는 결정구조와 이에 따른 적층 방식이 층의 분리에 큰 영향을 미친다는 것을 밝혀내었다. Steered molecular dynamics simulation이라는 특수한 시뮬레이션 방법을 이용 해 헬름홀츠 자유에너지를 직접적으로 계산함으로써 적층 패턴에 따라 생기는 부분적 으로 안정한 자유에너지 구역이 존재함을 확인하였다. 이는 기존의 연속적인 모델로 묘사되던 2차원 평면 구조 나노 결정 분자들의 분리 모델이, 미시적인 관점에서는 맞 지 않을 수도 있다는 것을 직접적으로 보여준다. 최종적으로, 이 결과들이 전단 흐름에 의한 분리가 평면 결정 분자의 단일 층 분리 에 왜 효과적인지에 대한 논리적 근거가 됨을 보여줌으로써 전단 흐름 내에서의 평면 결정 분자들의 층 분리에 대한 미시적 관점에서의 원리를 제시했다.
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