지그재그 형태의 (8, 0) BN 나노튜브에서 B 또는 N을 전이금속인 Fe, Co, 또는 Ni로 치환했을 때, 결합길이와 자기모멘트 등 구조적, 자기적 성질을 제일원리계산 방법으로 연구하였다. 전이금속이 치환하게 되면 원래 원 모양이었던 단면의 형태가 찌그러진 타원 모양으로 바뀌게 되며, 결합길이도 원래의 BN 나노튜브에서 B-N의 결합길이보다 길어지는 것으로 계산되었다. 자기모멘트는 B을 치환했을 때가 N을 치환한 경우보다 더 크게 나타났으며, 주로 3d 전자가 자기모멘트 값에 기여한다는 것을 상태밀도 그림으로부터 알 수 있었다.
지그재그 형태의 (8, 0) BN 나노튜브에서 B 또는 N을 전이금속인 Fe, Co, 또는 Ni로 치환했을 때, 결합길이와 자기모멘트 등 구조적, 자기적 성질을 제일원리계산 방법으로 연구하였다. 전이금속이 치환하게 되면 원래 원 모양이었던 단면의 형태가 찌그러진 타원 모양으로 바뀌게 되며, 결합길이도 원래의 BN 나노튜브에서 B-N의 결합길이보다 길어지는 것으로 계산되었다. 자기모멘트는 B을 치환했을 때가 N을 치환한 경우보다 더 크게 나타났으며, 주로 3d 전자가 자기모멘트 값에 기여한다는 것을 상태밀도 그림으로부터 알 수 있었다.
The magnetic and structural properties of the (8, 0) BN nanotubes with transition metals (TM) of Fe, Co, or Ni substitution for B or N were investigated using a first-principles calculation. It was found that TM substitution makes the cross section being distorted and the bond length TM-B or TM-N be...
The magnetic and structural properties of the (8, 0) BN nanotubes with transition metals (TM) of Fe, Co, or Ni substitution for B or N were investigated using a first-principles calculation. It was found that TM substitution makes the cross section being distorted and the bond length TM-B or TM-N being longer than that of the original B-N one. The magnetic moment is larger for the TM substitution for B than one for N, and it is mainly due to the 3d electrons of TM atoms.
The magnetic and structural properties of the (8, 0) BN nanotubes with transition metals (TM) of Fe, Co, or Ni substitution for B or N were investigated using a first-principles calculation. It was found that TM substitution makes the cross section being distorted and the bond length TM-B or TM-N being longer than that of the original B-N one. The magnetic moment is larger for the TM substitution for B than one for N, and it is mainly due to the 3d electrons of TM atoms.
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문제 정의
이 논문에서는 전이금속이 치환된 BN 나노튜브의 자성을 제일원리계산 방법으로 연구하였다. 전이금속과 나노튜브가 어떻게 서로 상호작용을 하는가 하는 문제는[8] 흥미롭기도 하지만, 나노장치를 포함한 여러 응용 가능성 때문에 기초적인 물성 연구의 필요성이 있다고 할 수 있다.
전이금속과 나노튜브가 어떻게 서로 상호작용을 하는가 하는 문제는[8] 흥미롭기도 하지만, 나노장치를 포함한 여러 응용 가능성 때문에 기초적인 물성 연구의 필요성이 있다고 할 수 있다. 철, 코발트, 니켈 등 전이금속(TM) 원자가 BN 나노튜브를 이루고 있는 붕소와 질소 원자 중에서 하나를 치환해서 들어갔을 때, 결합 길이와 상태밀도 등 구조적 성질 및 전자구조와 함께, 자기 모멘트 등 자성에 대하여 연구하였다.
제안 방법
밀도범함수이론을 기반으로 한 제일원리계산을 통해서 자체모순없는 총에너지 전자구조 계산 방법을 이용하였다. 유사 퍼텐셜 평면파를 기저로 하는 VASP 코드를 사용하였고[9], 일반화된 물매 근사를 사용했으며[10], 초세포 구조를 이용해서 나노튜브 사이의 상호작용 효과를 최소화하였다.
밀도범함수이론을 기반으로 한 제일원리계산을 통해서 자체모순없는 총에너지 전자구조 계산 방법을 이용하였다. 유사 퍼텐셜 평면파를 기저로 하는 VASP 코드를 사용하였고[9], 일반화된 물매 근사를 사용했으며[10], 초세포 구조를 이용해서 나노튜브 사이의 상호작용 효과를 최소화하였다.
전자의 파동함수를 전개하기 위해서 끊음 에너지가 400 eV인 평면파를 사용했으며, 나노튜브 사이의 거리를 15 Å으로 함으로써 튜브 사이의 상호작용 효과를 최소화하였으며, 입력과 출력 전자밀도에 대한 총 에너지 차이가 10−5 eV보다 작을 때 수렴된 것으로 하였다.
이론/모형
브릴루앙 영역은 Monkhorst-Pack 방법에[11] 의해서 1×1×15으로 k 점들을 택했으며, 모든 원자들은 Hellmann-Feynman 힘이 0.023 eV/Å 보다 작아지도록 원자들의 위치를 최적화하였다.
지그재그 형태의 (8, 0) BN 나노튜브에서 B 또는 N 대신에 전이금속인 Fe, Co, 또는 Ni로 치환했을 때, 구조와 자기적 성질을 제일원리계산 방법을 이용해서 계산하였다. 치환된 전이금속 원자가 나노튜브 바깥쪽으로 돌출하게 되어 본래 원모양의 단면이 찌그러진 타원 모양으로 변했으며, B 원자가 치환되었을 때에는 튜브의 축 방향에 평행한 TM-N의 길이가 수직한 길이보다 약간 길게 되지만, N 원자가 치환되었을 때에는 반대의 경향을 보였다.
성능/효과
또한 안락의자 형태의 (5, 5) BN 나노튜브에서 붕소나 질소 대신에 규소(Si)로 치환했을 때도 자기모멘트를 가지게 되며, 규소의 3p 전자에 의한 것이라는 SIESTA 계산 결과도 보고되 었다[7]. 두 가지 계산 결과 모두 자화가 일어났으며 그 원인은 치환된 원자에 의한 것이라는 공통점이 있었다. 치환하는 원자를 전이금속에 속하는 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni) 등으로 하면 더 큰 자기모멘트를 가질 것이라고 예상할 수 있다.
두 경우 모두에서 TM-B 또는 TM-N의 길이는 치환되지 않았을 때 BN 나노튜브에서 B-N의 결합길이인 1.45 Å보다[12] 길어진다는 것을 확인할 수 있었다.
Si이 치환된 BN 나노튜브에 대한 다른 연구 결과에서는[7] 자기모멘트가 주로 페르미에너지 근처에 있는 Si 3p 다수 전자에 의해서 결정된다고 했고, B을 치환한 경우가 N을 치환한 경우보다 sp 혼성효과가 더 강하다는 논의가 있었다. 전이금속이 치환된 BN 나노튜브의 전체 상태밀도를 나타낸 Fig. 3의 결과를 살펴보면, 전체 값에는 B 또는 N의 2p 전자와 전이금속의 3p 전자에 의한 기여가 가장 크지만, 자기 모멘트는 주로 전이금속의 3d 전자에 의해서 값이 결정되는 것을 알 수 있다. 원래 덩치 상태에서 자기모멘트를 가지는 Fe, Co, Ni 등이 치환되어 들어갔을 때 주변의 B 또는 N 원자들에 의해 영향을 받아서 전이금속의 3d 전자 분포가 달라지고, 이것이 전이금속의 자기모멘트를 변화시킨다는 것을 알 수 있다.
후속연구
BN 나노튜브에서 B 또는 N이 전이금속으로 치환된 계의자성에 대한 본 연구와 페로브스카이트 구조를 가지는 FeCo3N 또는 NiCo3N 화합물에 대한 전자구조와 자성에 대한 기존의 다른 연구 결과를[13] 비교해 본다면, 서로 다른 주위 환경에서 전이금속과 N의 상호작용이 자성에 어떤 영향을 미치는지 보다 잘 이해하는 연구에 도움을 줄 것이라고 생각된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
BN 나노튜브의 구조에 관한 특징은?
탄소나노튜브와 비슷하지만 다른 전기적 성질을 가지는 BN 나노튜브에 대해서도 많은 연구가 있었는데, 전이금속의 흡착[3]과 수소의 흡착[4] 등에 대한 계산 결과가 보고되었다. BN 나노튜브의 구조는 탄소나노튜브와 비슷하지만 전자구조는 완전히 다른 물질로서, 나노튜브가 말리는 방향에 관계없이 항상 부도체가 된다고 잘 알려져 있다[5].
본 연구 중 지그재그 형태의 (8, 0) BN 나노튜브에서 B 또는 N 대신에 전이금속인 Fe, Co, 또는 Ni로 치환했을 때, 구조와 자기적 성질을 제일원리계산 방법을 이용해서 계산한 결과는?
지그재그 형태의 (8, 0) BN 나노튜브에서 B 또는 N 대신에 전이금속인 Fe, Co, 또는 Ni로 치환했을 때, 구조와 자기적 성질을 제일원리계산 방법을 이용해서 계산하였다. 치환된 전이금속 원자가 나노튜브 바깥쪽으로 돌출하게 되어 본래 원모양의 단면이 찌그러진 타원 모양으로 변했으며, B 원자가 치환되었을 때에는 튜브의 축 방향에 평행한 TM-N의 길이가 수직한 길이보다 약간 길게 되지만, N 원자가 치환되었을 때에는 반대의 경향을 보였다. Fe와 Co의 경우에는 B을 치환한 경우가 N을 치환한 경우보다 더 큰 자기모멘트를 가졌 으며, Ni의 경우에는 자기모멘트의 차이가 없었다. 상태밀도 그림을 분석해 보면, 전체 값에는 B 또는 N의 2p 전자와 전이금속의 3p 전자에 의한 기여가 가장 크지만, 자기모멘트는 주로 전이금속의 3d 전자에 의해서 값이 결정되는 것을알 수 있다.
안락의자 형태의 (5, 5) BN 나노튜브에서 붕소나 질소 대신에 규소(Si)로 치환했을 때 어떤 특징이 나타나는가?
안락의자 형태의 (5, 5) BN 나노튜브와 지그재그 형태의 (9, 0) BN 나노튜브에서 붕소(B) 또는 질소(N)를 탄소(C)로치환했을 때, 자발적 자화가 일어나며, 이러한 자화가 탄소의 2p 전자에 의한 것이라는 계산 결과가 보고되었다[6]. 또한 안락의자 형태의 (5, 5) BN 나노튜브에서 붕소나 질소 대신에 규소(Si)로 치환했을 때도 자기모멘트를 가지게 되며, 규소의 3p 전자에 의한 것이라는 SIESTA 계산 결과도 보고되 었다[7]. 두 가지 계산 결과 모두 자화가 일어났으며 그 원인은 치환된 원자에 의한 것이라는 공통점이 있었다.
참고문헌 (13)
S. Ciraci, T. Yildirim, S. Dag, O. Gulseren, and R. T. Senger, J. Phys.: Condens. Matter, 16, R901 (2004)
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