Tuning Chirality of Single-wall Carbon Nanotubes by selective Etching with Carbon Dioxide
We propose a new approach of controlling chirality of single-wall carbon nanotubes by a selective adsorption and subsequent etching procedure with various gas adsorbates. Our density functional calculations show that heterogeneous molecules such as CO, NO, $NO_2$, and $CO_2$ prefer to chemisorb on zigzag tube edges with large adsorption energies compared to armchair tube edges. In particular, $CO_2$ molecule physisorbs on armchair tube edge, whereas it chemisorbs strongly on a zigzag tube edge with large adsorption energy of -4.82 eV. We propose that annealing with ambient $CO_2$ gas can lead to a selective etching via initial CO desorption, followed by subsequent CO desorption from the tube edge.
Growth Energetics of Single-Wall Carbon Nanotubes with Carbon Monoxide
The microscopic growth energetics of single-wall carbon nanotubes (SWNTs) with gas-phase CO molecules is investigated. Our density functional calculations show that CO molecules can form carbon networks directly at an open edge of SWNT by adsorption and subsequent desorption procedure. CO molecules adsorb to the carbon atom in an open edge of SWNT, not through the oxygen atom but through the carbon atom, because the frontier orbital of CO molecule has more of carbon character. Such form of adsorption results in the formation of a carbon-carbon bond. Formation of a hexagonal carbon ring is thermodynamically more favorable than that of a pentagonal carbon ring, and becomes a driving force for the growth of SWNTs. A possible growth mechanism through formation of hexagonal ring structure is suggested from the results of this study. Our results of energy calculations suggest that growth in the direction of a zigzag wall is more favorable. The roles of a catalyst, which nucleates the growth of SWNT and holds to stabilize an open edge with dangling bonds, are further discussed.
전자 구조에 따른 단일벽 탄소 나노 튜브의 선택적 제거
산소 원자를 포함하고 있는 다양한 종류의 기체 분자를 이용하여 선택적인 흡착과 연이은 제거 과정을 통해서 단일벽 탄소 나노 튜브의 전자 구조에 따른 선택에 대한 새로운 접근 방법을 제시하고자 하였다. 전자밀도 범함수 계산 결과는 CO, NO, $NO_2$, $CO_2$ 와 같은 기체가 Armchair 튜브의 말단에 비해 Zigzag 튜브의 말단에 상대적으로 강하게 흡착된다는 결과를 보여준다. 특히, $CO_2$ 분자의 경우, Armchair 튜브의 말단에는 아주 약한 물리적 흡착만을 보이지만 Zigzag 튜브의 말단에는 -4.82 eV의 큰 흡착에너지를 가지며 화학적으로 흡착된다. 이와 같은 현상에 착안하여, 온도의 적절한 조절을 통해서 전자 구조에 따른 단일벽 탄소 나노 튜브의 선택적 조절이 가능함을 확인할 수 있었다. 즉, 다량의 $CO_2$ 조건 하에서 이산화탄소는 단일벽 탄소 나노 튜브의 전자 구조에 따라 Zigzag 튜브에만 선택적으로 흡착되게 되고, 연이어 진행되는 CO 기체의 탈착과정을 통해서 결국에는, Armchair 튜브만을 얻을 수 있다.
일산화 탄소를 이용한 단일벽 탄소 나노 튜브의 성장 과정
기체 상태의 CO 기체를 이용하여 단일벽 탄소 나노 튜브를 합성하는 과정에서, 성장과정에 중요한 요소중의 하나인 미시적인 수준의 에너지 변화를 연구하였다. 전자밀도 범함수 계산 결과는 성장과정중의 단일벽 탄소 나노 튜브의 말단에 CO 기체의 연이은 흡ㆍ탈착 과정을 통해 새로운 탄소 구조를 형성할 수 있음을 보여준다. 이때 CO기체는 여타 산소를 포함한 기체들과는 달리 산소가 아닌 탄소를 통해 튜브의 말단에 흡착된다. 이는 일산화 탄소의 Frontier orbital이 탄소의 경향성을 강하게 보이기 때문이며, 결과적으로 새로운 탄소-탄소 결합을 형성하게 된다. 더욱이 육각형 탄소 구조의 형성이 오각형 탄소 구조의 형성보다 열역학적으로 유리하며, 이것은 단일벽 탄소 나노 튜브가 성장하는 중요한 요인으로 고려할 수 있다. 또한 연구 결과를 통해 Zigzag 튜브의 성장이 Armchair 튜브의 성장에 비해 유리하다는 점도 확인할 수 있었다. 더욱이 선행연구들은 이러한 결과들을 어느 정도 뒷받침 하고 있다. 단일벽 탄소 나노 튜브의 성장에 중요한 요소 중 하나인 촉매의 역할에 대에서는, 몇 가지 계산 결과를 통해서, 성장과정중의 튜브 말단의 불안정한 구조를 안정화 시키는 역할을 할 것이라는 추측을 해볼 수 있었다.
