Ajankohtaista

Väitös: 26.8. Nanohiilirakenteiden mekaanisen käyttäytymisen laskennallista mallinnusta (Korhonen)

Alkamisaika: perjantai 26. elokuuta 2016, 12.00

Päättymisaika: perjantai 26. elokuuta 2016, 15.00

Paikka: Ylistönrinne, KEM1

Topi Korhonen, kuva: Joonas Ahtikallio
FM Topi Korhosen fysiikan väitöskirjan “Modeling the Mechanical Behavior of Carbon Nanostructures” tarkastustilaisuus. Vastaväittäjänä professori Vivek Shenoy (University of Pennsylvania, USA) ja kustoksena akatemiatutkija Pekka Koskinen (Jyväskylän yliopisto). Tilaisuus on englanninkielinen.

Tietokoneiden jatkuva laskentatehon kasvu uhkaa lähivuosina hidastua pii-pohjaisten komponenttien saavuttaessa kokonsa alarajan. Grafeenille, yhden hiiliatomikerroksen paksuiselle hiilikalvolle, on soviteltu piin seuraajan viittaa miltei sen löytymisestä (v. 2004) lähtien. Grafeenin elektroniset ominaisuudet olisivat monessa mielessä ihanteelliset, mutta siltä puuttuu puolijohdetekniikan edellyttämä vyöaukko. Ilman vyöaukkoa virran kulkua grafeenin läpi ei pystytä täysin katkaisemaan, mikä estää esimerkiksi perinteisen transistorin valmistamisen grafeenista. Lukuisat tutkimukset vihjaavat, että grafeenin elektronisiin ominaisuuksiin, myös vyöaukkoon, voitaisiin vaikuttaa grafeenia mekaanisesti manipuloimalla.

Väitöskirjatyössä mallinnettiin grafeenin mekaanista käyttäytymistä ja systeemien ollessa riittävän yksinkertaisia tutkittiin myös elastisten myöntymien vaikutusta elektronirakenteeseen.

– Selvisi esimerkiksi, että mallintamamme, vielä kokeellisesti toteuttamattoman, grafeenispiraalin elektroniset ominaisuudet ovat kytkeytyneet vahvasti spiraalin kierretasojen välisiin vuorovaikutuksiin. Elastisten myöntymien aiheuttamat elektronirakenteen muutokset seurasivat spiraalia venyttäessä vasta suurilla venymillä, kun hiilisidokset alkoivat venyä mainittavasti, Korhonen toteaa.

Korhonen mallinsi myös grafeeninanoliuskojen käyttäytymistä kultapinnalla, kun nanoliuskan toinen pää oli kiinnitetty kultapintaan ja toista taivutettiin pintaa myöden. Simulaatio mallinsi vastikään tehtyä koetta, jossa riittävän taipumisen jälkeen tuohon asti tasaisesti taipuneen nanoliuskan sisäreuna äkillisesti pullahti irti kultapinnasta ja systeemi omaksui uuden geometrian, jossa kaksi suoraa nanoliuskaa liittyivät pullahtaneen osan välityksellä toisiinsa. Simulaatiossa havaittu käytös vastasi koetta ja osoitti pullahduksen olevan elastinen, eli atomien välisiä sidoksia ei sen vuoksi katkennut. Lisäksi simulaatioissa havaittiin, että taipunut grafeeninanoliuska voi sopivasti aseteltuna kiinnittyä grafeenialustaan ylläpitäen taivetta pelkän kerrosten välisen vuorovaikutuksen turvin.

Korhonen tutki myös monen kerroksen grafeenin kuoriutumista. Kävi ilmi, että kerrosten välinen vuorovaikutus on liian heikko lukitsemaan monikerroksisen grafeeninipun kulmikkaaseen muotoon tai estämään kerrosten välisen liukumisen grafeeninippua taivutettaessa.

Väitöskirjatyön tutkimuksia voidaan käyttää ennustamaan grafeenin käyttäytymistä tutkittuja tilanteita vastaavissa kokeellisissa asetelmissa. Tämä auttaa rakentamaan laitteita, joissa mahdollisten grafeeniin kohdistuvien rasitusten vaikutukset on otettu huomioon jo laitetta suunniteltaessa. Esimerkiksi mahdollinen grafeeniliuskan taipuminen on tärkeää huomioida ja väitöskirjassa annettiinkin mm. arvio kuinka paljon tällainen taipuminen voi enimmillään vaikuttaa grafeeniliuskan vyöaukkoon.

Lisätietoja:

Topi Korhonen, +358 40 1547447, topi.korhonen@jyu.fi
Viestintäharjoittelija Petra Toivanen, puh. 040 805 3638

Topi Korhonen valmistui ylioppilaaksi Varkauden lukiosta vuonna 2006 ja filosofian maisteriksi Jyväskylän yliopiston Fysiikan laitokselta vuonna 2012. Hän teki väitöskirjatutkimusta Pekka Koskisen tutkimusryhmässä vuosina 2012 - 2016. Tutkimuksen rahoitti Suomen Akatemia ja siinä käytettiin CSC - Tieteellinen laskenta Oy:n laskentaresursseja.

Teos on julkaistu sarjassa Department of Physics, University of Jyväskylä Research Report numerona 9/2016, Jyväskylä 2016, ISSN 0075-465X, ISBN 978-951-39-6692-8, ISBN 978-951-39-6693-5 (pdf).

Abstract:

Low-dimensional nanostructures are expected to have vast number of applications in the future. Particularly large amount of research has been invested in the atom-thick carbon membrane called graphene, which has become popular due to its unique electronic and mechanical properties. This thesis presents studies of the mechanical and electromechanical properties of several different types of graphene nanostructures. In addition, short detours are performed in order to study the elasticity of gold nano-structures and topology effects in graphene nanoribbons.

The research is performed by using several different simulation methods. In simulations the system parameters and environment can be chosen at will, giving large amount of control over the studied phenomena. This control, and the access to different system parameters, can give insight into system properties that are hard to deduce from experiments alone. The reliability of the simulations depends on the used methods that are thus chosen according to the level of desired accuracy.

Large-scale deformations of graphene nanostructures are studied by classical force field methods. We present and explain edge rippling due to compression at graphene nanospiral perimeters when the nanospiral is elongated above a certain threshold. Further insight into the elastic behavior of these nanospirals is obtained by continuum elasticity modeling. For graphene nanoribbons we explain two previous experimental observations, an abrupt buckling under in-plane bending and the stability of curved graphene nanoribbon geometry on a smooth substrate. Buckling is predicted by simple model and is found to be due to the compression at the inner edge of the curved graphene nanoribbon. The stability of the curved geometry is shown to be due to registry effects between the graphene nanoribbon and the substrate. %and the buckling to be a mechanism that releases the excess compression from the graphene nanoribbon edge.
Moreover, intricate interlayer sliding patterns under peeling of multilayer graphene stacks are discussed and we show that such stacks are likely to recover after the peeling force is released.

Via electronic structure calculations we find a connection between the graphene nano-spiral elongation and electronic structure and show that for graphene nanospirals the interlayer interactions play major part in the electronic structure near the structural equilibrium. Moreover, for graphene nanoribbons we study the effect of M\"obius topology by using the revised periodic boundary conditions in a novel way. By the introduced method we are able to impose M\"obius topology into flat graphene nanoribbons enabling the study of the role of the topology alone. We conclude that the topology affects only graphene nanoribbons with small length-to-width ratios. Finally we consider the temperature dependence of the bending rigidity of a two-dimensional gold nanostructure realizable in suitably sized graphene pores. The underlying motivation for most of the performed studies is the connection between the mechanical deformations and the electronic structure, which is discussed qualitatively even for large systems, where explicit electronic structure calculations are not possible.  

Lisätietoja

Tohtorikoulutettava Topi Korhonen
topi.korhonen@jyu.fi
+358408054451
kuuluu seuraaviin kategorioihin: ,