haku: @supervisor Franssila, Sami / yhteensä: 22
viite: 6 / 22
| Tekijä: | Hirvonen, Petri K. |
| Työn nimi: | Phase field crystal modeling of grain boundaries in graphene |
| Grafeenin raerajojen mallintaminen faasikenttäkidemallilla | |
| Julkaisutyyppi: | Diplomityö |
| Julkaisuvuosi: | 2015 |
| Sivut: | viii + 70 s. + liitt. 7 Kieli: eng |
| Koulu/Laitos/Osasto: | Kemian tekniikan korkeakoulu |
| Oppiaine: | Soveltava materiaalitiede (MT3001) |
| Valvoja: | Franssila, Sami |
| Ohjaaja: | Ala-Nissilä, Tapio |
| Elektroninen julkaisu: | http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201505142668 |
| Sijainti: | P1 Ark Aalto 2796 | Arkisto |
| Avainsanat: | phase field crystal model graphene grain boundaries dislocations faasikenttäkidemalli grafeeni raerajat dislokaatiot |
| Tiivistelmä (fin): | Grafeeni on hiilen kaksiulotteinen olomuoto, jonka mekaaniset ja optiset ominaisuudet sekä sähkön- ja lämmönjohtavuus ovat erinomaiset. Materiaalia on tutkittu yli kymmenen vuotta, mutta sen atomijärjestäytymisen ja mikrorakenteen kehityksen yksityiskohtia ei ole selvitetty vielä täydellisesti. Kiteisiä järjestelmiä atomitasolla ja diffuusiivisissa aikaskaaloissa kuvaava faasikenttäkidemalli (engl. phase field crystal model) soveltuu tällaisten monimutkaisten ilmiöiden tarkastelemiseen. Mallia ei ole aikaisemmin sovellettu kaksiulotteisten materiaalien kvantitatiiviseen mallintamiseen. Grafeenin mikrorakenteen kehitykselle on tässä työssä etsitty kattavaa kuvausta tarkastelemalla kolmea alkuperäisen faasikenttäkidemallin muunnelmaa. Näiden kolmen mallin suorituskyky on arvioitu niiden vapaastiseisovaan, tasomaiseen grafeeniin ennustamien symmetristen raerajarakenteiden ja niihin liittyvän raerajaenergian perusteella. Kaksi kolmesta mallista tuottaa todenmukaisia raerajarakenteita, jotka muodostuvat viisi- ja seitsemänjäsenisistä hiilirenkaista rakentuvista 5|7-dislokaatioista. Ensimmäinen näistä kahdesta mallista ennustaa runsaasti myös muunlaisia rakenteita, joista osa on oletettavasti metastabiileja tai epäfysikaalisia. Tässä työssä on myös kehitetty menetelmiä, joilla mallinnettujen raerajarakenteiden relaksaatiota voitaisiin kontrolloida tarkemmin. Ensimmäinen mallin ennustama raerajaenergia kiteiden välisen symmetrisen kallistuskulman funktiona on välillä 0 - 5 eV/nm, mikä on kvantitatiivisesti yhdenmukaista toisten numeeristen töiden kanssa. Toinen malli kuvaa raerajaenergian käyttäytymisen kallistuskulman funktiona kvalitatiivisesti (n. 0 - 11 eV/nm). Kolmannen mallin ennustama rajaenergia vaihtelee vastaavankaltaisella välillä (0 - 10 eV/nm) mutta ei sisällä toisten mallien energiakäyrissä esiintyviä tunnusomaisia yksityiskohtia. Tässä työssä faasikenttäkidemallin on osoitettu soveltuvan grafeenin mikrorakenteen kvantitatiiviseen mallintamiseen. Tämä lähestymistapa hyödyttää todellisten grafeenirakenteiden tutkimusta ja voi synnyttää materiaalille uusia sovelluskohteita. |
| Tiivistelmä (eng): | Graphene is a two-dimensional allotrope of carbon that exhibits extraordinary crystalline, mechanical, electrical, thermal and optical properties. The material has been studied for over a decade, but the details of its atomic ordering and microstructural evolution are still incomplete. The phase field crystal model for modeling crystalline systems at atomic length and diffusive time scales is suited for studying such complex phenomena. The phase field crystal model has not previously been applied to quantitatively model two-dimensional materials. In the present work, three variants of the original phase field crystal model are assessed to find a good description for microstructural evolution in graphene. Performance of the three models is evaluated by investigating the symmetric tilt grain boundary structures and related energies they predict in free-standing, planar graphene. Two of the three models produce realistic grain boundary structures, namely those comprised of pentagon-heptagon, or 5|7 dislocations. First of these two models gives a rich variety of other structures as well. Some such structures are presumably metastable or even unphysical and tools to better control the relaxation of the modeled grain boundary structures are presented. This first model yields grain boundary energy as a function of the tilt angle in the approximate range of 0 - 5 eV/nm which is in quantitative agreement with other numerical works. The second model captures qualitatively the essential features of the grain boundary energy curve (ca. 0 - 11 eV/nm). The third model gives a similar range for the grain boundary energy (ca. 0 - 10 eV/nm) but captures its features poorly as a function of the tilt angle. The phase field crystal technique is shown applicable to quantitative modeling of graphene microstructures. This approach benefits the study of atomic structures in real world graphene and may help unlock novel applications. |
| ED: | 2015-05-24 |
INSSI tietueen numero: 51320
+ lisää koriin
INSSI