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원자 모사를 이용한 나노 와이어 안정성에 관한 연구 = Study on the stability of nanowires using atomistic simulations
서명 / 저자 원자 모사를 이용한 나노 와이어 안정성에 관한 연구 = Study on the stability of nanowires using atomistic simulations / 임영태.
저자명 임영태 ; Im, Young-Tae
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2009].
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초록정보

With the progress of studies on nanostructured materials, nanowire has recently received considerable attention in terms of its application to various areas, such as electric circuits, chemical sensors, and radio frequency demodulators. Numerous experiments have focused on the mechanical behavior of nanomaterials. In particular, various mechanical properties such as Young’s modulus, as well as the strength and toughness of nanorods, have recently been measured by means of AFM and a nanoindenter has been used to measure the compression behavior of nanowire (Mo-alloy single crystal). In this study, by using the molecular statics simulation with the embedded-atom method (EAM) potential, the stability of fcc nanowires (Ni and Pd) under uniaxial tension and compression is investigated. The well-known stability criteria of Hill, are compared with the results of the present study. It is found that under compression, the crystal becomes unstable due to the partial slip of the crystal before it meets the conventional criteria, which were based on the assumption of the homogeneous deformation. On the other hand, the criteria predict well the instability for nanowires under tensile loading. Next, by using the molecular statics simulation with the Finnis-Sinclair potential, the stability of bcc nanowires (Fe and Mo) under uniaxial tension and compression is investigated. The well-known stability criteria of Hill, are compared with the results of the present study. It is found that under compression and tension the crystal becomes unstable before it meets the conventional criteria, which were based on the assumption of the homogeneous deformation. On the other hand, under compression the bcc nanowires become buckled more easily than the fcc nanowires. In addition to the topics mentioned above, the surface relaxation and the surface stress are analyzed through the molecular statics. It is found that the lattice parameter of atoms near the free surface is different from that of the bulk. And the surface stress varies with the compressive and tensile strains. Also, the surface stress is dependent on the crystal orientation of the free surface. In conclusion, the stability of nanowires is dependent on the crystal structure and the loading direction. And the free surfaces affect the stability of nanowires.

원자 모사 방법을 이용하여, 면심 입방 결정 구조를 갖는 니켈과 팔라듐 나노 와이어 그리고 체심 입방 결정 구조를 갖는 철과 몰리브덴 나노 와이어에 대하여 일축 압축 및 인장 응력에 대한 거동을 전산 모사하고, 원자 수준의 탄성 계수와 응력을 계산했다. 면심 입방 결정 구조의 [100] [010] [001] 방향 니켈과 팔라듐 나노 와이어는 [001] 방향의 압축 응력에 대하여, 탄성 계수에 의한 Hill 의 안정성 기준에 도달하기 전에 부분 전위라는 변형이 발생하게 된다. 그렇지만, 나노 와이어 내부의 원자 격자는 Hill 의 변형 모드와 같은 형태로 변형한다. 또한 그 변형률의 크기도 Hill 의 결과와 거의 일치하는 것을 확인했다. 그러나, 압축 응력하의 니켈과 팔라듐 나노 와이어에서는 세장비를 상당히 크게 하여도 체심 입방 결정 구조에서 발생하는 좌굴은 거의 발생하지 않는 것을 확인했다. 이는 면심 입방 결정 구조는 조밀면 (closed packed plane)인 {111} 면을 따라서 적층 흠 (stacking fault)이 쉽게 발생하여, 좌굴 발생 이전에 부분 전위가 생긴다는 것을 의미한다. 면심 입방 결정 구조의 [100] [010] [001] 방향 니켈과 팔라듐 나노 와이어는 [001] 방향의 인장 응력에 대하여, (100) 면이 (111) 면으로 바뀌는 변형이 발생했다. Hill 의 안정성 조건과 비교하면, 인장에 대해서는 거의 정확하게 Hill 의 안정성 조건인 탄성 계수 ($C_{11}$ - $C_{12}$) 값이 0 이 되는 것을 확인했고, 나노 와이어 내부의 원자 격자 또한 Hill 의 변형 모드와 같은 형태로 변형한다. 이 경우의 변형률 크기 또한 Hill 의 결과와 잘 일치하는 것을 알 수 있다. 체심 입방 결정 구조의 [100] [010] [001] 방향 철과 몰리브덴 나노 와이어는 압축 응력에 대하여, Hill 의 안정성 기준에 도달하기 전에 좌굴이라는 변형이 발생하게 된다. 압축 응력의 경우, 면심 입방 결정 구조의 나노 와이어는 탄성 계수 ($C_{11}$ + $C_{12}$) - $2C_{13}^2 / C_{33}$ 값이 감소하는 반면에 체심 입방 결정 구조의 나노 와이어는 탄성 계수 ($C_{11}$ - $C_{12}$) 값이 감소하는 것이 특징이다. 이러한 경향은 Milstein (1971)의 철에 대한 원자 모사 결과와 잘 일치한다. 좌굴이 발생한 철과 몰리브덴 나노 와이어의 응력을 계산하면, 세장비가 커짐에 따라서 응력 값이 감소하는 것을 알 수 있다. 이와 같은 경향은 Euler 식에서 세장비가 커짐에 따라서 응력이 감소하는 것과 일치하는 결과이다. 하지만 그 임계 응력 값에서는 차이가 있음을 확인할 수 있다. 또한 연속체 역학의 관점에서 세장비가 작을 경우, 항복 (yielding)이 일어나게 되어 좌굴이 발생하지 않는 것과 같이 철과 몰리브덴 나노 와이어의 경우에도 세장비가 특정한 값 이하일 때는 좌굴이 발생하지 않았다. 체심 입방 결정 구조의 [100] [010] [001] 방향 철과 몰리브덴 나노 와이어는 인장 응력에 대하여, Hill 의 안정성 기준에 도달하기 전에 적층 흠 또는 슬립이 발생한다. 철 나노 와이어가 인장 응력을 받는 경우는, 압축 과는 반대로 탄성 계수 ($C_{11}$ + $C_{12}$) - $2C_{13}^2 / C_{33}$ 값이 감소한다. 그러나, 그 값은 나노 와이어의 크기에 관계없이 약 90 GPa 정도로 Hill 의 기준인 0 과는 큰 차이를 보인다. 철 나노 와이어의 인장 응력에 대한 변형 모드는 Hill 의 모드와 동일한 경향을 보이지만, 변형률의 크기는 차이가 있음을 알 수 있다. 철 나노 와이어의 경우와는 달리, 몰리브덴 나노 와이어의 탄성 계수를 계산하면, ($C_{11}$ + $C_{12}$) - $2C_{13}^2 / C_{33}$, ($C_{11}$ - $C_{12}$) 값 모두 감소하는 것을 알 수 있다. 철과 몰리브덴 나노 와이어가 인장 응력에 의해서 불안정해지는 순간의 원자 수준의 응력을 계산하면, 단면적이나 길이에 무관하게 각각 일정한 값에 도달했을 때 불안정해지는 것을 알 수 있다. 나노 와이어 표면의 방향을 바꾸어서 [110] [110] [001] 방향 나노 와이어에 대한 원자 모사를 수행했다. [100] [010] [001] 방향의 결과와는 달리, 면심 입방 결정 구조 니켈 나노 와이어의 경우는 압축 응력에 대해서 부분 슬립이 아닌 완전 슬립이 발생했고, 체심 입방 결정 구조 철 나노 와이어의 경우는 압축 응력에 대해서 슬립이 발생하는 것을 알 수 있다. 표면 효과를 고려하기 위하여, 원자 모사를 이용하여 표면 완화를 계산했다. 재료에 따라서 표면의 존재로 인한 표면 부근의 원자 사이의 거리를 벌크 재료와 비교했다. 재료에 따라서 다소간의 차이가 있으나 표면으로부터 세 번째 원자 층을 지나게 되면 표면으로 인한 영향은 거의 없어지는 것을 알 수 있다. 응력을 받고 있는 표면의 효과를 고려하기 위해서, (100) 과 (110) 면에 대해서 압축과 인장 응력 하에서의 표면 응력을 계산했다. 결론적으로, 나노 와이어의 안정성 기준은 재료의 결정 구조와 하중의 방향에 따라서 다른 경향을 보인다. 벌크 재료에 대한 Hill 의 안정성 기준과 비교하면, 어느 정도의 유사성 또는 같은 경향성을 보이기는 하지만, 나노 와이어가 갖는 구조적인 특성으로 인하여 특정 재료 혹은 특정 응력 방향에 대해서는 부분 전위 또는 좌굴과 같은 Hill 이 언급하지 않은 변형이 발생한다. 이는 Hill 이 벌크 재료에 대해서 예측한 안정성 기준에 이르기 전에, 나노 와이어의 표면 효과 또는 기하학적인 특성으로 인하여 나노 와이어가 불안정해진다는 것을 의미한다.

서지기타정보

서지기타정보
청구기호 {DME 09004
형태사항 ix, 119 p. : 삽도 ; 26 cm
언어 한국어
일반주기 저자명의 영문표기 : Young-Tae Im
지도교수의 한글표기 : 엄윤용
지도교수의 영문표기 : Youn-Young Earmme
부록 : 1, EAM 포텐셜. - 2, 탄성 계수 계산.
학위논문 학위논문(박사) - 한국과학기술원 : 기계공학전공,
서지주기 참고 문헌 : p. 46-49
주제 stability;nanowires;partial slip;atomistic silmulation;
안정성;나노 와이어;부분 슬립;원자 모사;
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