Atomaire simulaties van de plasma-geassisteerde groei van enkelwandige koolstof nanobuisjes

Enkelwandige koolstof nanobuisjes ("SWNTs") zijn holle buisjes bestaande uit een hexagonaal koolstof netwerk. Dankzij hun unieke eigenschappen zoals extreme sterkte, zeer hoge thermische geleidbaarheid en structuurafhankelijke bandgap bieden zij perspectief op velerlei toepassingen in bv. nanoschaal elektronica, als chemische sensors of als geïnduceerde veld emitters. Dergelijke toepassingen vereisen echter precieze controle over de fundamentele eigenschappen van de SWNTs die momenteel ontbreekt. Met name controle over de chiraliteit van de SWNT, die direct bepalend is voor de bandgap, is hierbij gewenst. Plasma-geassisteerde damp afzetting ("PECVD") wordt gezien als één van de meest veelbelovende technieken om deze controle te realiseren. De onderliggende fundamentele groeimechanismen zijn echter grotendeels onbekend. In dit project wensen we dan ook verscheidene PECVD-processen en –parameters te onderzoeken om inzicht in de groeimechanismen te verkrijgen met het oog op het sturen van de resulterende SWNT eigenschappen. Dit doel wensen wij te bereiken door middel van een state-of-the-art hybride Moleculaire Dynamica / force biased Monte Carlo simulatiemodel, dat op atomaire schaal alle relevante processen in het groeiproces zelf-consistent simuleert. Specifiek plannen wij (i) een optimalisatie van het bestaande simulatiemodel om de benodigde rekentijd te verkorten en uitbreiding van het model naar de simulatie van PECVD-groei; (ii) gerichte simulaties van de groei van SWNTs onder realistische (PECVD-)procesvoorwaarden op nikkel nanokatalysatoren; (iii) parameterstudies die toelaten het effect van de variatie van precies één parameter tegelijk te bestuderen, om zo te bepalen hoe het groeiproces beïnvloed kan worden; en (iv) de ontwikkeling van krachtveldparameters voor de gebruikte interatomaire potentiaal voor Ni/Fe legeringen en de simulatie van de PECVD-groei van SWNTs op Ni/Fe nanokatalysatoren. De innovativiteit van dit project is gelegen in (i) de gebruikte accurate interatomaire potentiaal in combinatie met het gebruikte hybride MD/MC model dat zowel korte als lange tijdsschaaleffecten in rekening brengt; (ii) de studie van SWNT-groei in een PECVD-setup door middel van atomaire simulaties; en (iii) de ontwikkeling van krachtveldparameters voor Ni/Fe en de simulatie van de groei van SWNTs op Ni/Fe nanokatalysatoren. Hoewel dit project erg innovatief is (zowel wat betreft de methodologie als het beoogde doel), denken wij dat dit project zeer haalbaar is: wij hebben immers reeds aangetoond dat het simulatiemodel erg geschikt is om de groei van SWNTs te simuleren onder thermische CVD voorwaarden. Verder beschikken wij over alle nodige computercodes om de PECVD-specifieke procesvoorwaarden te simuleren. Wij geloven daarom dat wij in staat zullen zijn fundamentele processen in PECVD-groei van SWNTs te ontrafelen en inzicht te verkrijgen in dit veelbelovende maar tot nu toe op atomaire schaal nauwelijks onderzochte proces.

Trefwoorden:PLASMA-ENHANCED CHEMICAL VAPOR DEPOSITION, COMPUTERSIMULATIES, KOOLSTOFNANOBUIZEN, CHIRALITEIT

Disciplines:Fysica van gecondenseerde materie en nanofysica, Fysische chemie