基本信息
- 項目名稱：
- 內嵌原子對碳納米管中C60振蕩的影響
- 小類：
- 能源化工
- 大類：
- 自然科學類學術論文
- 簡介：
- 隨著微納米科學領域不斷的發(fā)展，Zettle等人發(fā)明了具有GHz級別的碳納米管振蕩器。本項目探究了在足球烯中嵌入原子后，在碳納米管中振蕩的情況。結合了第一性原理和分子動力學模擬的方法。通過對原子質量和嵌入后的電荷進行分析找出了其影響規(guī)律。對研制不同頻率的碳納米管振蕩器有一定的指導意義。
- 詳細介紹：
- 本項目模擬了C60中內嵌原子后振蕩器的頻率變化。首先基本第一性原理，采用密度泛函理論對足球烯的結構進行優(yōu)化并標定電荷，接著又使用分子動力學模擬的方法過對高頻振蕩器振動的模擬，振蕩器的模式選擇SWNT（10，10）—C60，在其內部引入了十種不同的內嵌原子（H,C,O等）。結果表明十種原子中只有H能夠提高頻率并且只有0.52作用，Cs對頻率的降低作用最大，高達-7.9%。最終進而分析了嵌入原子的質量以及電荷的改變對頻率的影響，并且出了相關關系式。本研究除基礎研究外，對在不改變體積條件下改變碳納米管振蕩器的頻率有一定的指導意義。從而我們發(fā)現通過嵌入原子方法能夠達到調控碳納米管振蕩器頻率的作用，使得碳納米管振蕩器更為實用。
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作品專業(yè)信息
撰寫目的和基本思路
- 目的：采用第一性原理和分子動力學模擬方法，探討內嵌原子對足球烯在碳納米管中振蕩的影響。 基本思路：用MaterialStudio、Matlab等軟件綜合建模，制作出碳納米管，分別用不同的元素內嵌到碳納米管，再檢測其在碳納米管內的振蕩頻率，最后分析其變化規(guī)律。
科學性、先進性及獨特之處
- 科學性：模擬采用的軟件是Material Studio 5.0。力場選用最新的COMPASS勢能場。各種內嵌原子C60已經不斷被合成。 先進性：采用第一性原理和分子動力學方法在200個節(jié)點上的機群計算來模擬高頻碳納米管振蕩器。 獨特之處：通過在內嵌原子的方法改造碳納米管振蕩器，并且給出了內嵌原子的影響規(guī)律。
應用價值和現實意義
- 碳納米管高頻振蕩器是有史以來生產出的振蕩器件中最小的，因為它們體積很小，它可以在很寬的射頻范圍內調諧，批量生產后可取代電子電路中體積大、功耗大的元件。本作品通過分子動力學模擬的方法發(fā)現通過在C60中內嵌原子的方法可以達到對碳納米振蕩器的頻率達到10%左右的調控作用，相比其它方法更能調控頻率。
學術論文摘要
- 本文模擬了C60中內嵌原子后振蕩器的頻率變化。首先基本第一性原理，采用密度泛函理論對足球烯的結構進行優(yōu)化并標定電荷，接著又使用分子動力學模擬的方法過對高頻振蕩器振動的模擬，振蕩器的模式選擇SWNT（10，10）—C60，在其內部引入了十種不同的內嵌原子（H,C,O等）。結果表明十種原子中只有H能夠提高頻率并且只有0.52作用，Cs對頻率的降低作用最大，高達-7.9%。最終進而分析了嵌入原子的質量以及電荷的改變對頻率的影響，并且出了相關關系式。本研究除基礎研究外，對在不改變體積條件下改變碳納米管振蕩器的頻率有一定的指導意義。
獲獎情況
- 獲得“挑戰(zhàn)杯”大學生課外學術科技作品競賽**賽區(qū)一等獎。
鑒定結果
- 無
參考文獻
- [1]Iijima S. Helical microtubules of graphitic carbon[J ] . Nature ,1991 ,354 (6348) :56～58. [2]Ebbesen T W, Ajayan P M. Large2scale synthesis of carbon nano2tubes [J ] . Nature ,1992 ,358 (6383) :220～222. [3]Forro L 2000 Science 289 560. [4]Cumings J ,Zettl A 2000 Science 289 602. [5]Ngamta Thamwattana , James M. Hill，Physica B，Nanotube bundle oscillators: Carbon and boron nitride nanostructures，（2009）3906，3910. [6]Cheng-Da Wu a, Te-Hua Fang a,*, Chi-Yu Chan b.A molecular dynamics simulation of the mechanicalcharacteristics of a C60-filled carbon nanotube undernanoindentation using various carbon nanotube tips.CARBON 49 (2011)2053–2061 [7]R. Ansari a, M. Hemmatnezhad b,*, J. Rezapour b.The thermal effect on nonlinear oscillations of carbon nanotubes with arbitraryboundary conditions.Current Applied Physics 11 (2011) 692e697. [8]Ngamta Thamwattana , James M. Hill，Physica B，Nanotube bundle oscillators: Carbon and boron nitride nanostructures，（2009）3906，3910
同類課題研究水平概述
- 科技進步引導著社會對納米功能設施的需求。 D.W.H. Fam等人在其文章中指出指出自從碳納米管發(fā)現以來碳納米管的商業(yè)作用已日益明顯。多年來人們致力于制造高頻率運行的納米器件,然而要獲得頻率在吉赫茲范圍內的納米器件對微觀器件的制造水平仍然是個挑戰(zhàn),這一瓶頸直到近幾年才有所突破。Cumings 和Zettl 在高分辨率透射電子顯微鏡下固定碳管,隨后將其內層碳管抽出一定距離后釋放,觀察到內管在范德瓦耳斯力作用下自動回縮,且回縮過程中受到的摩擦力極小,回復力保持恒定。緊接著Zheng 和Jiang 在此基礎上進一步提出利用多壁碳納米管這種回縮特性可以實現頻率超過吉赫茲的機械振蕩器。此后,有許多科研工作圍繞著這一振蕩特性展開,Legoas 等對這一系統(tǒng)進行了分子動力學模擬，證實了振蕩器的頻率可達到吉赫茲量級，并指出當內、外管的半徑差在314 A 左右時，振子能保持較小摩擦下的往復振蕩.不過, 在振蕩過程中仍存在因熱耗散導致的阻尼。目前國內在這方面也出現了許多有價值的研究工作,Yang ,Zhang 等研究了碳納米管振蕩時所受摩擦力的特征及其影響因素。王曉輝等 模擬了兩種碳納米管振蕩器在不同溫度下的振動情況。 2009年，Ngamta Thamwattana和James M. Hill就B-N結構的振蕩器做了相關的研究。2011年，R. Ansari等人研究了溫度對任意邊界碳納米管中C60振動的影響，Cheng-Da Wu等人進行了不同荷載下碳納米管振蕩器的研究，M.C.G. Lim等人做了金屬原子在碳納米管中的振蕩研究。 可見，對碳納米管振蕩的研究自從開始后就一直沒有結束，國內外的科研人員在致力于研究發(fā)現能產生高頻的碳納米管振蕩器，而本文用獨特的方法——富勒烯內嵌不同原子并輔助單獨原子比較找出能產生最高頻的簡單系統(tǒng)振蕩器。
