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基本信息

項(xiàng)目名稱：
內(nèi)嵌原子對(duì)碳納米管中C60振蕩的影響
小類：
能源化工
簡(jiǎn)介：
隨著微納米科學(xué)領(lǐng)域不斷的發(fā)展，Zettle等人發(fā)明了具有GHz級(jí)別的碳納米管振蕩器。本項(xiàng)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(jié)合了第一性原理和分子動(dòng)力學(xué)模擬的方法。通過對(duì)原子質(zhì)量和嵌入后的電荷進(jìn)行分析找出了其影響規(guī)律。對(duì)研制不同頻率的碳納米管振蕩器有一定的指導(dǎo)意義。
詳細(xì)介紹：
本項(xiàng)目模擬了C60中內(nèi)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(duì)足球烯的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化并標(biāo)定電荷，接著又使用分子動(dòng)力學(xué)模擬的方法過對(duì)高頻振蕩器振動(dòng)的模擬，振蕩器的模式選擇SWNT（10，10）—C60，在其內(nèi)部引入了十種不同的內(nèi)嵌原子（H,C,O等）。結(jié)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(duì)頻率的降低作用最大，高達(dá)-7.9%。最終進(jìn)而分析了嵌入原子的質(zhì)量以及電荷的改變對(duì)頻率的影響，并且出了相關(guān)關(guān)系式。本研究除基礎(chǔ)研究外，對(duì)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(dǎo)意義。從而我們發(fā)現(xiàn)通過嵌入原子方法能夠達(dá)到調(diào)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(shí)用。

作品圖片

  • 內(nèi)嵌原子對(duì)碳納米管中C60振蕩的影響
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  • 內(nèi)嵌原子對(duì)碳納米管中C60振蕩的影響
  • 內(nèi)嵌原子對(duì)碳納米管中C60振蕩的影響

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(dòng)力學(xué)模擬方法，探討內(nèi)嵌原子對(duì)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(nèi)嵌到碳納米管，再檢測(cè)其在碳納米管內(nèi)的振蕩頻率，最后分析其變化規(guī)律。

科學(xué)性、先進(jìn)性及獨(dú)特之處

　　科學(xué)性：模擬采用的軟件是Material Studio 5.0。力場(chǎng)選用最新的COMPASS勢(shì)能場(chǎng)。各種內(nèi)嵌原子C60已經(jīng)不斷被合成。 　　先進(jìn)性：采用第一性原理和分子動(dòng)力學(xué)方法在200個(gè)節(jié)點(diǎn)上的機(jī)群計(jì)算來模擬高頻碳納米管振蕩器。 　　獨(dú)特之處：通過在內(nèi)嵌原子的方法改造碳納米管振蕩器，并且給出了內(nèi)嵌原子的影響規(guī)律。

應(yīng)用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義

碳納米管高頻振蕩器是有史以來生產(chǎn)出的振蕩器件中最小的，因?yàn)樗鼈凅w積很小，它可以在很寬的射頻范圍內(nèi)調(diào)諧，批量生產(chǎn)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(dòng)力學(xué)模擬的方法發(fā)現(xiàn)通過在C60中內(nèi)嵌原子的方法可以達(dá)到對(duì)碳納米振蕩器的頻率達(dá)到10%左右的調(diào)控作用，相比其它方法更能調(diào)控頻率。

學(xué)術(shù)論文摘要

　　本文模擬了C60中內(nèi)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(duì)足球烯的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化并標(biāo)定電荷，接著又使用分子動(dòng)力學(xué)模擬的方法過對(duì)高頻振蕩器振動(dòng)的模擬，振蕩器的模式選擇SWNT（10，10）—C60，在其內(nèi)部引入了十種不同的內(nèi)嵌原子（H,C,O等）。結(jié)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(duì)頻率的降低作用最大，高達(dá)-7.9%。最終進(jìn)而分析了嵌入原子的質(zhì)量以及電荷的改變對(duì)頻率的影響，并且出了相關(guān)關(guān)系式。本研究除基礎(chǔ)研究外，對(duì)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(dǎo)意義。

獲獎(jiǎng)情況

獲得“挑戰(zhàn)杯”大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽**賽區(qū)一等獎(jiǎng)。

鑒定結(jié)果

無

參考文獻(xiàn)

[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(jìn)步引導(dǎo)著社會(huì)對(duì)納米功能設(shè)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(xiàn)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(yùn)行的納米器件,然而要獲得頻率在吉赫茲范圍內(nèi)的納米器件對(duì)微觀器件的制造水平仍然是個(gè)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(nèi)層碳管抽出一定距離后釋放,觀察到內(nèi)管在范德瓦耳斯力作用下自動(dòng)回縮,且回縮過程中受到的摩擦力極小,回復(fù)力保持恒定。緊接著Zheng 和Jiang 在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步提出利用多壁碳納米管這種回縮特性可以實(shí)現(xiàn)頻率超過吉赫茲的機(jī)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(duì)這一系統(tǒng)進(jìn)行了分子動(dòng)力學(xué)模擬，證實(shí)了振蕩器的頻率可達(dá)到吉赫茲量級(jí)，并指出當(dāng)內(nèi)、外管的半徑差在314 A 左右時(shí)，振子能保持較小摩擦下的往復(fù)振蕩.不過, 在振蕩過程中仍存在因熱耗散導(dǎo)致的阻尼。目前國內(nèi)在這方面也出現(xiàn)了許多有價(jià)值的研究工作,Yang ,Zhang 等研究了碳納米管振蕩時(shí)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(dòng)情況。 　　2009年，Ngamta Thamwattana和James M. Hill就B-N結(jié)構(gòu)的振蕩器做了相關(guān)的研究。2011年，R. Ansari等人研究了溫度對(duì)任意邊界碳納米管中C60振動(dòng)的影響，Cheng-Da Wu等人進(jìn)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(duì)碳納米管振蕩的研究自從開始后就一直沒有結(jié)束，國內(nèi)外的科研人員在致力于研究發(fā)現(xiàn)能產(chǎn)生高頻的碳納米管振蕩器，而本文用獨(dú)特的方法——富勒烯內(nèi)嵌不同原子并輔助單獨(dú)原子比較找出能產(chǎn)生最高頻的簡(jiǎn)單系統(tǒng)振蕩器。
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