본 논문에서 우리는 새로 제안된 2차원 탄소 동소체인 α-, γ-그래파인 표면 위에서의 헬륨 흡착에 대한 경로적분 몬테카를로 연구를 수행하였다. 먼저 우리는 두 종류의 다른 헬륨-탄소 원자간 퍼텐셜인 Lennard-Jones (LJ) 6-12 짝 퍼텐셜과 Yukawa-6 짝 퍼텐셜을 사용하여 단일 α-그래파인 구조 양쪽에 흡착된 헬륨 단일 층들의 상관관계를 조사하였다. α-그래파인 위, 아래 양쪽에 흡착된 헬륨 원자들의 1차원 밀도 분포로부터, 우리는 위, 아래 양쪽에 각각 헬륨 단일 층이 형성되는 것을 확인하였다. Ref. [1]에서 도입한 유사스핀 ...
본 논문에서 우리는 새로 제안된 2차원 탄소 동소체인 α-, γ-그래파인 표면 위에서의 헬륨 흡착에 대한 경로적분 몬테카를로 연구를 수행하였다. 먼저 우리는 두 종류의 다른 헬륨-탄소 원자간 퍼텐셜인 Lennard-Jones (LJ) 6-12 짝 퍼텐셜과 Yukawa-6 짝 퍼텐셜을 사용하여 단일 α-그래파인 구조 양쪽에 흡착된 헬륨 단일 층들의 상관관계를 조사하였다. α-그래파인 위, 아래 양쪽에 흡착된 헬륨 원자들의 1차원 밀도 분포로부터, 우리는 위, 아래 양쪽에 각각 헬륨 단일 층이 형성되는 것을 확인하였다. Ref. [1]에서 도입한 유사스핀 자유도를 고려하여, 아래 층이 유사스핀이 정렬된 C4/3 상응 고체 상태로 흡착되어 있는 상황에서 위층 헬륨 원자의 면적 밀도가 0.0706 Å-2로 흡착을 시도하였다. 이때 이 위층 헬륨 원자들이 위, 아래층의 상관관계에 의해 유사스핀이 정렬된 2차원 카고메 격자를 이룬다는 것을 확인하였다. 더 나아가, 두 헬륨 단일 층이 모두 C4/3 상응 고체 상태일 때에도 이러한 층간 상관관계가 나타나는데, 이것은 헬륨-기판 퍼텐셜을 어떻게 묘사했느냐에 따라 다르다. LJ 퍼텐셜에 대해서는 두 상응고체의 유사스핀이 반 평행하게 정렬한 것과 평행하게 정렬한 상태가 에너지적으로 축퇴 되어있는 반면에, Yukawa-6 퍼텐셜에 대해서는 반 평행하게 정렬한 것이 에너지적으로 선호되는 것을 확인하였다. 이는 Yukawa-6 퍼텐셜을 사용했을 때, 두 단일 층 사이 간격이 더 좁기 때문에 나타나는 결과이다. 그리고 층간 상관관계가 이 단일 층의 빈 공간 (vacancy) 형성에 어떤 영향을 미치는지에 대해 조사하였다. 또한 우리는 단일 γ-그래파인 기판에 흡착된 헬륨 단일 층의 양자 상 전이를 연구하기 위해 경로적분 몬테카를로 계산을 수행하였다. 이 연구에서 우리는 헬륨-기판 퍼텐셜으로 헬륨과 탄소의 LJ 짝 퍼텐셜을 사용하였다. γ-그래파인 구조는 큰 육각형을 가지고 있음에도 불구하고, 헬륨 원자들이 기판을 가로질러 통과하지 못하는 것을 확인하였다. γ-그래파인에 흡착된 헬륨 원자 개수가 증가함에 따라, γ-그래파인에 흡착된 헬륨들은 층 구조를 보인다. 그 중 첫 번째 헬륨 층은 각각 면적 밀도 0.0491, 0.0736, 0.0982 Å-2에서 C2/3, C3/3, C4/3 상응 고체 상태를 보여주며, 이 첫 번째 층은 면적 밀도 0.115 Å-2 근처에서 비상응 고체상태로 완성되는 것을 확인하였다.
본 논문에서 우리는 새로 제안된 2차원 탄소 동소체인 α-, γ-그래파인 표면 위에서의 헬륨 흡착에 대한 경로적분 몬테카를로 연구를 수행하였다. 먼저 우리는 두 종류의 다른 헬륨-탄소 원자간 퍼텐셜인 Lennard-Jones (LJ) 6-12 짝 퍼텐셜과 Yukawa-6 짝 퍼텐셜을 사용하여 단일 α-그래파인 구조 양쪽에 흡착된 헬륨 단일 층들의 상관관계를 조사하였다. α-그래파인 위, 아래 양쪽에 흡착된 헬륨 원자들의 1차원 밀도 분포로부터, 우리는 위, 아래 양쪽에 각각 헬륨 단일 층이 형성되는 것을 확인하였다. Ref. [1]에서 도입한 유사스핀 자유도를 고려하여, 아래 층이 유사스핀이 정렬된 C4/3 상응 고체 상태로 흡착되어 있는 상황에서 위층 헬륨 원자의 면적 밀도가 0.0706 Å-2로 흡착을 시도하였다. 이때 이 위층 헬륨 원자들이 위, 아래층의 상관관계에 의해 유사스핀이 정렬된 2차원 카고메 격자를 이룬다는 것을 확인하였다. 더 나아가, 두 헬륨 단일 층이 모두 C4/3 상응 고체 상태일 때에도 이러한 층간 상관관계가 나타나는데, 이것은 헬륨-기판 퍼텐셜을 어떻게 묘사했느냐에 따라 다르다. LJ 퍼텐셜에 대해서는 두 상응고체의 유사스핀이 반 평행하게 정렬한 것과 평행하게 정렬한 상태가 에너지적으로 축퇴 되어있는 반면에, Yukawa-6 퍼텐셜에 대해서는 반 평행하게 정렬한 것이 에너지적으로 선호되는 것을 확인하였다. 이는 Yukawa-6 퍼텐셜을 사용했을 때, 두 단일 층 사이 간격이 더 좁기 때문에 나타나는 결과이다. 그리고 층간 상관관계가 이 단일 층의 빈 공간 (vacancy) 형성에 어떤 영향을 미치는지에 대해 조사하였다. 또한 우리는 단일 γ-그래파인 기판에 흡착된 헬륨 단일 층의 양자 상 전이를 연구하기 위해 경로적분 몬테카를로 계산을 수행하였다. 이 연구에서 우리는 헬륨-기판 퍼텐셜으로 헬륨과 탄소의 LJ 짝 퍼텐셜을 사용하였다. γ-그래파인 구조는 큰 육각형을 가지고 있음에도 불구하고, 헬륨 원자들이 기판을 가로질러 통과하지 못하는 것을 확인하였다. γ-그래파인에 흡착된 헬륨 원자 개수가 증가함에 따라, γ-그래파인에 흡착된 헬륨들은 층 구조를 보인다. 그 중 첫 번째 헬륨 층은 각각 면적 밀도 0.0491, 0.0736, 0.0982 Å-2에서 C2/3, C3/3, C4/3 상응 고체 상태를 보여주며, 이 첫 번째 층은 면적 밀도 0.115 Å-2 근처에서 비상응 고체상태로 완성되는 것을 확인하였다.
We have carried out path-integral Monte Carlo (PIMC) study for the 4He adsorption on the surfaces of α- and γ-graphyne, which are newly proposed two-dimensional (2D) carbon allotropes. First, we have investigated the correlation between two 4He monolayers adsorbed on both sides of a single α-graphyn...
We have carried out path-integral Monte Carlo (PIMC) study for the 4He adsorption on the surfaces of α- and γ-graphyne, which are newly proposed two-dimensional (2D) carbon allotropes. First, we have investigated the correlation between two 4He monolayers adsorbed on both sides of a single α-graphyne sheet using two different substrate potentials based on anisotropic Lennard-Jones (LJ) 6-12 and Yukawa-6 4He-C pair potentials. From one-dimensional (1D) density distributions of 4He atoms adsorbed on both sides of α-graphyne, we confirm the formation of two 4He monolayers for both substrate potentials. In a context of pseudospin degrees of freedom introduced in Ref. [1], it has been found that a 2D pseudospin-aligned kagome lattice structure is realized at a Mott-insulating density of 0.0706 Å-2 in the upper 4He layer as a result of interlayer correlation when the lower side is coated with a C4/3 ferromagnetic commensurate solid whose areal density is 0.0941 Å-2. Interlayer correlation of the two oppositely adsorbed 4He-C4/3 monolayers also manifests but aspects are somewhat different depending on our description of the 4He-subsrate potentials. The parallel and antiparallel alignments of pseudospin directions between the two 4He layers are nearly degenerate for the LJ pair potential so the favored interlayer ordering is absent. In contrast, only antiparallel alignment is preferred against the parallel one for the Yukawa-6 pair potential. The vacancy formation in these 4He monolayers is also discussed. We have also done PIMC calculations to understand a quantum phase transition in 4He monolayer on a single sheet of γ-graphyne, which is known to be the most energetically stable structure among graphyne structures [36]. In this work, we use the 4He-subsrate potential based on only LJ 4He-C pair potential. Although it has quite large hexagon structures, γ-graphyne is found to be not permeable to 4He atoms according to our estimation of transmission probability. As the number of 4He atoms adsorbed on γ-graphyne increases, 4He adatoms show layer-by-layer development. From the 2D density distributions for 4He monolayer on γ-graphyne, we identify three different commensurate (C2/3, C3/3, C4/3) structures at areal densities of 0.0491, 0.0736, 0.0982 Å-2, respectively, before crystallizing into an incommensurate solid structure near completion of 4He monolayer on γ-graphyne.
We have carried out path-integral Monte Carlo (PIMC) study for the 4He adsorption on the surfaces of α- and γ-graphyne, which are newly proposed two-dimensional (2D) carbon allotropes. First, we have investigated the correlation between two 4He monolayers adsorbed on both sides of a single α-graphyne sheet using two different substrate potentials based on anisotropic Lennard-Jones (LJ) 6-12 and Yukawa-6 4He-C pair potentials. From one-dimensional (1D) density distributions of 4He atoms adsorbed on both sides of α-graphyne, we confirm the formation of two 4He monolayers for both substrate potentials. In a context of pseudospin degrees of freedom introduced in Ref. [1], it has been found that a 2D pseudospin-aligned kagome lattice structure is realized at a Mott-insulating density of 0.0706 Å-2 in the upper 4He layer as a result of interlayer correlation when the lower side is coated with a C4/3 ferromagnetic commensurate solid whose areal density is 0.0941 Å-2. Interlayer correlation of the two oppositely adsorbed 4He-C4/3 monolayers also manifests but aspects are somewhat different depending on our description of the 4He-subsrate potentials. The parallel and antiparallel alignments of pseudospin directions between the two 4He layers are nearly degenerate for the LJ pair potential so the favored interlayer ordering is absent. In contrast, only antiparallel alignment is preferred against the parallel one for the Yukawa-6 pair potential. The vacancy formation in these 4He monolayers is also discussed. We have also done PIMC calculations to understand a quantum phase transition in 4He monolayer on a single sheet of γ-graphyne, which is known to be the most energetically stable structure among graphyne structures [36]. In this work, we use the 4He-subsrate potential based on only LJ 4He-C pair potential. Although it has quite large hexagon structures, γ-graphyne is found to be not permeable to 4He atoms according to our estimation of transmission probability. As the number of 4He atoms adsorbed on γ-graphyne increases, 4He adatoms show layer-by-layer development. From the 2D density distributions for 4He monolayer on γ-graphyne, we identify three different commensurate (C2/3, C3/3, C4/3) structures at areal densities of 0.0491, 0.0736, 0.0982 Å-2, respectively, before crystallizing into an incommensurate solid structure near completion of 4He monolayer on γ-graphyne.
주제어
#Helium Path-integral Monte Carlo Quantum phases Commensurate Incommensurate Interlayer correlation
학위논문 정보
저자
안정환
학위수여기관
건국대학교 대학원
학위구분
국내석사
학과
물리학과
지도교수
권용경
발행연도
2016
총페이지
v, 53 p.
키워드
Helium Path-integral Monte Carlo Quantum phases Commensurate Incommensurate Interlayer correlation
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