초록 ▼

연구의 목적 및 내용
반데르발스 상호작용은 다양한 물질의 구조와 특성을 결정하며, 특히 그래핀, 육각 질화붕소 (h-BN), 전이 금속 칼코겐 화합물 (transition metal dichalcogenide) 등의 2차원 소재에서 적층구조를 형성하는 중요한 역할을 차지한다. 따라서 2차원 이종 소재를 통하여 새로운 전자 소자나 에너지 소자를 개발하려면 이를 정확히 이해하고 기술하는 방법론이 수반되어야만 한다. 본 연구에서는 반데르발스 상호작용을 전자 수준에서 근원적으로 이해하고 나아가 2차원 소재를 디자인할 수 있는 반데르발

연구의 목적 및 내용
반데르발스 상호작용은 다양한 물질의 구조와 특성을 결정하며, 특히 그래핀, 육각 질화붕소 (h-BN), 전이 금속 칼코겐 화합물 (transition metal dichalcogenide) 등의 2차원 소재에서 적층구조를 형성하는 중요한 역할을 차지한다. 따라서 2차원 이종 소재를 통하여 새로운 전자 소자나 에너지 소자를 개발하려면 이를 정확히 이해하고 기술하는 방법론이 수반되어야만 한다. 본 연구에서는 반데르발스 상호작용을 전자 수준에서 근원적으로 이해하고 나아가 2차원 소재를 디자인할 수 있는 반데르발스 보정 방법론을 개발하고자 한다.
본 연구는 금속과 비금속 원소를 모두 포함하는 분자/결정/2차원 시스템에 대하여 pairwise 기반 및 many-body dispersion 상호작용의 반경험적 보정법을 개발하였다. 이 중 pairwise 기반의 보정법에서는 non-spherical charge density를 갖는 원자들의 상호작용의 고려하여 반데르발스 매개 변수를 체계적으로 결정하는 방법론을 개발하였으며, many-body dispersion 상호작용 보정법에서는 short- 및 mid-range에서의 상호작용 세기를 조절하고 atomic polarizability의 anisotropic nature의 고려하여 모델을 개선하였다.

연구결과
1. Pairwise 기반 반경험적 보정법 개발
- C₆의 동적 상관 기여도를 고려하여 알칼리 금속과 비금속 간의 상호작용을 보정할 수 있는 pairwise 반경험적 보정법을 개발하였다. 또한 non-spherical charge density에 의한 효과를 고려하기 위해, ULG 퍼텐셜을 개량하여 C10항의 거동까지 잘 맞는 ULG-10 퍼텐셜을 개발하였다. 얻어진 퍼텐셜 및 매개 변수는 기존의 분자쌍뿐만 아니라, 알칼리 금속 결정의 고유 성질을 예측하는 점에서도 뛰어나게 작동하는 것을 검증하였다.
2. Many-body 기반 반경험적 보정법 개발
- CFDM Hamiltonian을 기반으로, short- 및 mid-range에서의 상호작용 세기를 조절하기 위해 smeared charge density로부터 얻어지는 dipole-dipole interaction tensor를 이용한 CFSDM[n] 방법을 개발하였다. 새로운 many-body 방법론의 정확도를 테스트하기 위해 분자 시스템과 graphite 등에 대한 벤치마크 계산을 수행했다.
3. Range-separation scheme을 통한 방법론 개선
- 2차원 및 layered material에서의 dispersion 상호작용 역시 자연스럽게 잘 맞추도록 하기 위하여, range-separation scheme을 도입한 CFSDM[n]@rsSCS 방법으로 발전시켰으며, 이를 통해 기존의 CFSDM[6]에서 문제가 되었던 graphite의 해리 에너지의 underbinding을 해결하였다. 흡착 시스템 등 다양한 세트에 대한 정확도 역시 검증하였다.

연구결과의 활용계획
먼저 새로 개발된 vdW 보정방법을 상용 프로그램에 이식하여 다양한 시스템에서 정확도를 검증하고, 이를 기반으로 분자 동역학 시뮬레이션에 사용되는 역장을 보다 정확한 매개변수로 개선하고자 한다. 또한 2차원 소재 금속 촉매의 매커니즘을 이해하고 성능이 우수한 촉매를 디자인하는 데에 활용하고자 한다.
뿐만 아니라 산업적 측면에서, 본 연구에서 개발한 vdW 보정방법은 2차원 신소재의 특성을 예측하여, 실험 이전에 컴퓨터 시뮬레이션 기반 in silico 소재를 디자인할 수 있는 기회를 제공하고, 신소재 개발 단계에서 필요한 시간과 비용을 크게 감소시킬 것으로 전망한다.

(출처 : 한글요약문 4p)

Abstract ▼

Purpose& contents
Van der Waals (vdW) interaction determines the structure and properties of various materials, especially two-dimensional materials such as graphene, h-BN, and transition metal dichalcogenides. Therefore, the methodology for the accurate description of vdW interaction is required

Purpose& contents
Van der Waals (vdW) interaction determines the structure and properties of various materials, especially two-dimensional materials such as graphene, h-BN, and transition metal dichalcogenides. Therefore, the methodology for the accurate description of vdW interaction is required for the design of a new device based on two-dimensional heterostructures. In this research, we aim to develop a first-principle based vdW correction method for the fundamental understanding and applications of vdW interaction.
In this research, we suggest a new pairwise and many-body vdW correction methods that can provide accurate estimation of vdW interaction in systems containing metals and nonmetals. We developed the pairwise vdW correction method that provides a systematic determination of vdW parameters including the effect of non-spherical charge density. We also developed the many-body vdW correction method that accounts for the screened potential at short- and mid-range and for the anisotropic effect of atomic polarizability.

Result
1. Development of a Pairwise vdW Correction Method
- We developed a pairwise vdW correction method that can improve the interaction of alkali metals and nonmetals by considering the dynamic correlation contribution of dispersion coefficient, C6. We also developed the ULG-10 potential that provides accurate values of higher order terms such as C10 in order to account for the effect of non-spherical charge density.
2. Development of a Many-body vdW Correction Method
- Based on the CFDM Hamiltonian, we developed a many-body correction method named CFSDM[n] in which the short- and mid-range potential is screened by the interaction of smeared charge density model. the accuracy of the CFSDM[n] method was examined for various organic systems and graphite.
3. Implementation of range-separation scheme
- For an accurate description of anisotropic structures such as two-dimensional materials, we concluded to include the range-separation scheme into our CFSDM, called CFSDM[n]@rsSCS. As a result, we resolved the underbinding problem of graphite by previous isotropic CFSDM[n] methods as well as other systems. In addition to organic systems, the CFSDM[n]@rsSCS shows reasonable accuracy for layered systems and adsorption systems.

Expected Contribution
The newly developed vdW correction method will be implemented in commercial simulation packages and will be tested for a variety of systems. Based on the results, we will develop environment-dependent van der Waals parameters that can be employed in molecular dynamics simulation. Furthermore, we will analyze and design a metal catalyst on two-dimensional framework. In addition, we will provide in silico approach to the design of a new material based on the accurate and efficient vdW methods.

(출처 : SUMMARY 5p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 목차 ... 2
• 연구계획 요약문 ... 3
• 연구결과 요약문 ... 4
• 한글요약문 ... 4
• SUMMARY ... 5
• 연구내용 및 결과 ... 6
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 6
• 2. 연구수행 내용 및 결과 ... 8
• 3. 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 25
• 4. 연구결과의 활용계획 ... 26
• 5. 주관연구책임자 대표적 연구실적 ... 27
• 6. 참고문헌 ... 28
• 7. 연구성과 ... 29
• 8. 국가과학기술지식정보서비스에 등록한 연구시설‧장비 현황 ... 31
• 9. 기타사항 ... 31
• 대표연구성과 ... 32
• 별첨1 ... 33
• 별첨2 ... 37
• 끝페이지 ... 44