Equilibrium Structure and Thermal Expansion Behavior of T-carbon, a New Carbon Allotrope
저자
발행사항
서울 : 경희대학교 대학원, 2016
학위논문사항
학위논문(석사)-- 경희대학교 대학원 : 물리학과 2016. 2
발행연도
2016
작성언어
영어
주제어
DDC
530 판사항(22)
발행국(도시)
서울
기타서명
새로운 탄소 동소체인 T-탄소의 평형 구조와 열팽창 특성
형태사항
iii, 34 p. : 삽화 ; 26 cm
일반주기명
경희대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
지도교수: 권영균
참고문헌: p. 28-32
UCI식별코드
I804:11006-200000166831
소장기관
Using first-principles density functional theory, we investigate the thermal property and the ther-mal expansion behavior of a "T-carbon" structure. The T-carbon is one of the carbon allotropes, which can be constructed from the diamond by replacing every carbon atom with a tetrahedron composed of four carbon atoms. We search for its equilibrium structure by scanning its energy landscape while changing two inequivalent C-C bond lengths, the one within the tetrahedron and the other connecting any two neighboring tetrahedra. To identify equilibrium structure and explore thermal property of T-carbon, we use the finite displacement method to calculate the phonon dis-persion and its vibrational modes. The quasi-harmonic approximation allows us to explore unusual thermal expansion behavior of T-carbon exhibiting a negative thermal expansion in the cubic structure. In generally, the existence of the rigid unit modes is originated from the tetrahedron structure. Thus, we also analyze the rigid unit modes as well as the effects of the structural deformations to confirm such an abnormal thermal expansion behavior. Finally, we also calculate their corresponding mode by using grüneisen parameters to verify their contribution to the negative thermal expansion behavior.
더보기과학 기술 분야에서 열팽창은 물질의 중요한 특성 중 하나이다. 물체에 열을 가하게 되면 온도에 따라 면적 및 부피가 바뀌게 되고 이로 인하여 구조적 특성이 변화하게 된다. 대부분의 물질은 온도가 증가하게 되면 부피가 증가하는 특성을 보이게 되는데 이러한 부피의 팽창은 거의 모든 장치나 기기의 성능 및 수명을 저하시키는 중요한 문제 중 하나로 간주하고 있다. 이와 반대로 특정 물질에서는 온도가 올라감에도 부피가 감소하는 특성을 보이게 되는데 이러한 현상을 음의 열팽창이라고 한다. 음의 열팽창 물질은 양의 열팽창과 합성하여 부피팽창을 억제할 수 있는 것을 이전 연구에서 확인하였으며 음의 열팽창 재료는 온도변화에 민감한 반도체, 광학 기계 부품, 정밀 기계에도 적용할 수 있다. 음의 열팽창이 발생하는 원인은 상전이, 자기 체적 효과, 물결 효과,강성 단위 모드 등이 있다. 이 논문에서는 주로 강성 단위 모드에 초점을 맞추고 있으며 강성 단위 모드란 물체가 격자진동을 할 때 물체 내부의 왜곡 없이 회전이나 변형을 하게 되는 것을 말한다. 강성 단위 모드의 주된 이유는 낮은 밀도로 인한 넓은 내부 공간으로 인한 구조의 유연성 및 원자들이 다면체를 형성하고 있을때 일어나는 것으로 확인되었으며 음의 열팽창 물질로써 탄소 동소체인 T-탄소의 전자적 특성과 열팽창 특성을 연구하였다. T-탄소는 다이아몬드 구조의 모든 원자에 네개의 탄소 원자로 이루어진 정사면체를 치환하여 얻을 수 있는 탄소 동소체 중 하나이다.
T-탄소는 사면체를 형성하는 본드와 사면체를 연결하는 두 가지 동등하지 않은 탄소-탄소 결합 길이가 있으며 제일원리 계산을 통하여 격자상수와 결합 길이를 변화시켜가며 평형 구조를 확인하였다. 평형 구조를 기반으로 T-탄소의 열적 특성을 조사하기 위해, 포논 분산 및 진동모드를 계산하기 위해 유한 변위 방법을 사용하였다. 준조화근사 방법을 사용하여 입방 구조인 T-탄소의 특이한 열팽창 특성을 확인하였다. 일반적으로 강성 단위 모드는 사면체 구조에서 유래한다. 따라서, 강체 단위 모드와 비슷한 구조의 변형이 비정상적인 열팽창 특성에 기여하는지 분석하였다. 마지막으로, 음의 열팽창 특성에 대한 기여를 확인하기 위해 그뤼나이젠 파라미터를 사용하여 해당 모드를 계산하였다
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