The diffusion nature of the Au and the Pt clusters on various CNTs is investigated through molecular dynamics simulation. We found that the cluster-CNT interface is crucial factor and the matching between the diffusion pathways of the CNT and the linear atomic arrangements of the cluster bottom layer determines the cluster diffusion.
The morphology of cluster affects the diffusion of cluster with different bottom layer with respect to Au and Pt cluster. In the (8, 0) CNT, the Au cluster diffuses along the CNT axis whereas the Pt cluster diffuses along the circumferential direction of the CNT. As a radius of a CNT increases, this difference declines because the effect of the CNT curvature on the morphology of cluster is lowered.
Direction of diffusion varies with a type of the CNT, because the preferred diffusion pathways on the CNT vary with the chirality and curvature of the CNT. As a size of the CNT increases, diffusion rate decreases due to small lattice parameter mismatch between the CNT β sites and the atoms in the cluster.
We propose the strategy to minimize the aggregation of the nanoclusters supported on the CNTs. The diffusion nature of the nanoclusters can be controlled by the careful modification on the chirality and the size of the CNT. This strategy helps us to prevent undesirable aggregation of CNT supported clusters and to improve the durability of these composite nano structures in practical application.
본 연구를 통해, 다양한 CNT 위에서의 Au와 Pt 클러스터의 diffusion 특성에 대해 연구하였고 클러스터와 CNT의 계면이 중요한 인자라는 것을 밝혔다. 원자간 결합력이 약한 Au 클러스터는 CNT를 감싸고 곡면의 bottom layer를 가진다. 반면 원자간 결합력이 상대적으로 강한 Pt 클러스터는 평평한 bottom layer를 가진다. 곡면의 bottom layer를 가진 Au 클러스터는 상대적으로 강하게 CNT를 감싸므로 클러스터의 원자 배열이 약하게 기울어진다.
클러스터의 bottom layer의 원자 배열이 CNT의 낮은 에너지 배리어를 가지는 diffusion pathway들과 잘 매치 되었을 때 클러스터는 그 선호되는 방향으로 diffusion 한다. CNT의 낮은 에너지 pathway가 CNT의 chirality와 크기에 의존하므로, 클러스터는 CNT의 종류에 따라 다른 diffusion 경향을 가진다.
CNT의 반경이 증가되면 CNT β 사이트들의 간격이 감소하고 Au와 Pt 클러스터의 원자간 간격과 비슷해진다. 이러한 경우 결과적으로 CNT에 클러스터가 고정된다.
다양한 CNT 위에서 클러스터의 diffusion mechanismd에 대한 연구를 바탕으로 CNT의 vacancy 형성 또는 CNT 도핑 같은 화학적 처리 없이도 CNT 위에 지지된 클러스터의 aggregation을 최소화하는 방법을 제안하고자 한다. Zhang 등은 CNT와 지지된 원자간의 결합력이 클러스터의 diffusion에 의해 결정된다고 하였다.[39, 40] 하지만 본 연구에서는 CNT의 chirality와 크기를 조절함으로 클러스터의 diffusion 특성을 제어할 수 있다는 것을 제안하였다.
