Action-derived molecular dynamics (ADMD) calculations are executed to typical examples of rare event systems in nanoscale; Surface diffusion and coalescence of carbon nanostructues.
In the studies of the surface diffusion, the activation energy barriers during basic diffusion mechanisms of single adatom are examined. For this, we employ six different metal elements and three different surfaces with low Miller indices, and compare the numerical results. The strain effect on the barriers of basic mechanisms and correlated diffusions of a few adatoms are evaluated as well. In addition, we investigate the diffusions related with steps and step corners on the three different surfaces, which have close relations with the growth and shape of islands on the surface. Finally, we inspect the possibility of the combination of the multiscale schemes in spatial and temporal domains simultaneously, by adopting the ADMD into a quasicontinuum model.
Next, we investigate the microscopic merging and junction formation mechanisms of two carbon nanotubes and find out the most favorable dynamic pathways of the reactions. The global and local activation energy barriers are evaluated during the dynamic pathways of the coalescence and junction formation. By introducing additional carbon atoms, an autocatalytic effect, reducing the activation energy barrier of the reactions, of additional carbon atoms on the coalescences of fullerenes and carbon nanotubes are shown as well.
In addition to the topics mentioned above, the energetics and mobility of dislocations in the crystal structures are analyzed through the molecular statics and the ADMD calculations. The core structure of dislocations in a face-centered cubic and a diamond crystal are visualized in atomic scale. The changes of system energy due to a dislocation pair are investigated under various conditions. We implement ADMD to the mobility of dislocation cores and examine the Peierls energy, which is the activation energy barrier for movement of dislocations with direct atomistic manner as well. When an edge dislocation pair moves on the shuffle plane in silicon, the configurational changes of the dislocation core and corresponding energy barriers are obtained.
작용유도 분자동역학 기법을 이용하여, 금속원자의 표면확산과 탄소나노구조물의 합성에 대해 전산해석하였다. 이 두 가지 주제는 시스템 자체에 여러 가지 시간스케일을 가지고 있는 희귀 발생사건 시스템의 대표적인 예들이다. 희귀 발생사건 시스템은 일반적인 분자동역학으로는 해석이 비효율적이거나 아예 불가능한 문제들로서, 작용유도 분자동역학 기법과 같이 특별하게 고안된 전산기법들을 통해 널리 해석되고 있다.
표면확산에 있어서는, 면심입방구조를 갖는 여섯 가지 금속원자(Ni, Cu, Pd, Ag, Pt, Au)가, 실험에서 주로 관찰되는 (001), (111), (110) 자유표면에서 확산할 때, 각 확산경로에 따른 활성에너지 장벽을 구하였다. (111) 표면은 조밀충전면으로서의 특성을, (110) 표면은 이방성이 강한 면으로서의 특성을 나타내었다. 각 표면의 기계적 변형률이 표면확산의 기본 메커니즘에 미치는 영향과, 여러 개의 원자가 서로 연동되어 확산할 때의 에너지 장벽을 구하였다. 또한 상기 세 가지 자유표면에 각기 두 종류의 스텝과 스텝 코너가 존재할 때, 금속원자의 확산에 대해 연구하였다. 스텝과 스텝 코너와 연관된 확산은, 자유 표면에서 원자섬의 성장 가능성 및 그 형상을 예측하는데 중요한 정보를 준다. 계산 결과 원자섬의 성장은 (111) 자유표면이 (001) 자유표면에 비해 더 용이하게 이루어 질 수 있으며, 이는 실험적 관찰과 잘 일치하였다. 마지막으로 준연속체 모델에 작용유도 분자동역학 기법을 적용함으로써, 공간 스케일의 확장기법과 시간 스케일의 확장기법을 동시적으로 결합하는 다중 스케일 해석의 가능성을 확인하였다.
탄소나노구조물의 합성 해석에 있어서는, 먼저 두 탄소나노튜브가 하나의 탄소나노튜브로 합성되는 미소스케일 과정을 제안하였다. 탄소나노튜브의 단위 합성과정은 네 번의 연속적인 generalized Stone-Walse (GSW)변환으로 이루어져 있음을 보이고, 각 변환에 필요한 에너지 장벽을 구하였다. GSW 변환은 접합 부분 주변의 육각형과 칠각형이 공유하는 결합에서 발생하며 그 장벽 값은 5-7eV 정도이다. 두 탄소나노튜브가 T형상의 접합체를 형성하는 미소스케일 과정을 두 가지 초기 형상으로부터 제안하였으며, 두 과정이 모두 에너지 장벽이 없는 발열반응임을 보였다. 또한 잉여탄소원자를 도입하여, 이 잉여탄소원자가 $C_{60}$ 및 탄소나노튜브의 합성과정에서, 전체 활성화 에너지 장벽 값을 낮추는 자가촉매로써의 역할을 수행할 수 있음을 보였다. 탄소나노구조물에 대한 해석을 통해, 잉여탄소원자가 이들 구조물의 합성 및 접합체 형성과정에 참여하게 되는 경우, 실험에서와 같이 비교적 낮은 온도조건에서도 이들 과정이 보다 빈번하게 이루어질 수 있음을 설명하였다.
상기 기술한 두 가지 주제 외에도, 면심입방구조 및 다이아몬드구조 내에 전위 쌍이 존재할 때, 전위 쌍의 에너지와 이동성에 대해 해석하였다. 먼저, 분자정역학 기법을 이용하여 두 구조내의 전위 쌍의 코어 구조를 원자스케일에서 가시화 하였고, 여러 가지 조건을 달리하면서 전위 쌍의 에너지 변화를 계산하였다. 또한, 작용유도 분자동역학 기법을 전위의 이동에 대한 전산해석에 적용하여, 전위가 이동할 때 전위 코어 구조의 형상 변화 및 그 과정에서 필요한 에너지 장벽 값을 구하였다. 면심입방구조를 갖는 금속의 경우, 전위 이동에 필요한 에너지 장벽은 사용한 포텐셜의 분해능 보다 낮은 값을 가짐을 보였다. 한편, 다이아몬드구조를 갖는 실리콘 결정 내에 칼날 전위 쌍이 Shuffle면 위에서 이동하는 경우에 대한 해석에서, 서로 다른 코어구조의 형상 변화에 따라 각기 다른 에너지 장벽 값을 갖게 됨을 구체적으로 기술하였다. 전위 주변의 원자간의 결합이 먼저 끊어지는 경우에 에너지 장벽 값은 0.20 eV 정도인 반면, 결합이 끊어지기 이전에 전위 주변 원자들 사이에 다섯 개의 이웃원자수를 갖는 결합을 형성하는 경우에는 0.08 eV까지 에너지 장벽이 낮아졌다. 전산해석 결과 전위의 이동은, Peierls-Nabarro 모델의 가정과 달리, 전위 길이 방향으로 한 원자층 단위로 이루어지게 되며, 이와 같이 움직일 때 활성에너지 장벽 값은 전위 길이와 관계가 없음을 보였다.
