基本信息
- 项目名称：
- 内嵌原子对碳纳米管中C60振荡的影响
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 随着微纳米科学领域不断的发展，Zettle等人发明了具有GHz级别的碳纳米管振荡器。本项目探究了在足球烯中嵌入原子后，在碳纳米管中振荡的情况。结合了第一性原理和分子动力学模拟的方法。通过对原子质量和嵌入后的电荷进行分析找出了其影响规律。对研制不同频率的碳纳米管振荡器有一定的指导意义。
- 详细介绍：
- 本项目模拟了C60中内嵌原子后振荡器的频率变化。首先基本第一性原理，采用密度泛函理论对足球烯的结构进行优化并标定电荷，接着又使用分子动力学模拟的方法过对高频振荡器振动的模拟，振荡器的模式选择SWNT（10，10）—C60，在其内部引入了十种不同的内嵌原子（H,C,O等）。结果表明十种原子中只有H能够提高频率并且只有0.52作用，Cs对频率的降低作用最大，高达-7.9%。最终进而分析了嵌入原子的质量以及电荷的改变对频率的影响，并且出了相关关系式。本研究除基础研究外，对在不改变体积条件下改变碳纳米管振荡器的频率有一定的指导意义。从而我们发现通过嵌入原子方法能够达到调控碳纳米管振荡器频率的作用，使得碳纳米管振荡器更为实用。
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作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 目的：采用第一性原理和分子动力学模拟方法，探讨内嵌原子对足球烯在碳纳米管中振荡的影响。 基本思路：用MaterialStudio、Matlab等软件综合建模，制作出碳纳米管，分别用不同的元素内嵌到碳纳米管，再检测其在碳纳米管内的振荡频率，最后分析其变化规律。
科学性、先进性及独特之处
- 科学性：模拟采用的软件是Material Studio 5.0。力场选用最新的COMPASS势能场。各种内嵌原子C60已经不断被合成。 先进性：采用第一性原理和分子动力学方法在200个节点上的机群计算来模拟高频碳纳米管振荡器。 独特之处：通过在内嵌原子的方法改造碳纳米管振荡器，并且给出了内嵌原子的影响规律。
应用价值和现实意义
- 碳纳米管高频振荡器是有史以来生产出的振荡器件中最小的，因为它们体积很小，它可以在很宽的射频范围内调谐，批量生产后可取代电子电路中体积大、功耗大的元件。本作品通过分子动力学模拟的方法发现通过在C60中内嵌原子的方法可以达到对碳纳米振荡器的频率达到10%左右的调控作用，相比其它方法更能调控频率。
学术论文摘要
- 本文模拟了C60中内嵌原子后振荡器的频率变化。首先基本第一性原理，采用密度泛函理论对足球烯的结构进行优化并标定电荷，接着又使用分子动力学模拟的方法过对高频振荡器振动的模拟，振荡器的模式选择SWNT（10，10）—C60，在其内部引入了十种不同的内嵌原子（H,C,O等）。结果表明十种原子中只有H能够提高频率并且只有0.52作用，Cs对频率的降低作用最大，高达-7.9%。最终进而分析了嵌入原子的质量以及电荷的改变对频率的影响，并且出了相关关系式。本研究除基础研究外，对在不改变体积条件下改变碳纳米管振荡器的频率有一定的指导意义。
获奖情况
- 获得“挑战杯”大学生课外学术科技作品竞赛**赛区一等奖。
鉴定结果
- 无
参考文献
- [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
同类课题研究水平概述
- 科技进步引导着社会对纳米功能设施的需求。 D.W.H. Fam等人在其文章中指出指出自从碳纳米管发现以来碳纳米管的商业作用已日益明显。多年来人们致力于制造高频率运行的纳米器件,然而要获得频率在吉赫兹范围内的纳米器件对微观器件的制造水平仍然是个挑战,这一瓶颈直到近几年才有所突破。Cumings 和Zettl 在高分辨率透射电子显微镜下固定碳管,随后将其内层碳管抽出一定距离后释放,观察到内管在范德瓦耳斯力作用下自动回缩,且回缩过程中受到的摩擦力极小,回复力保持恒定。紧接着Zheng 和Jiang 在此基础上进一步提出利用多壁碳纳米管这种回缩特性可以实现频率超过吉赫兹的机械振荡器。此后,有许多科研工作围绕着这一振荡特性展开,Legoas 等对这一系统进行了分子动力学模拟，证实了振荡器的频率可达到吉赫兹量级，并指出当内、外管的半径差在314 A 左右时，振子能保持较小摩擦下的往复振荡.不过, 在振荡过程中仍存在因热耗散导致的阻尼。目前国内在这方面也出现了许多有价值的研究工作,Yang ,Zhang 等研究了碳纳米管振荡时所受摩擦力的特征及其影响因素。王晓辉等 模拟了两种碳纳米管振荡器在不同温度下的振动情况。 2009年，Ngamta Thamwattana和James M. Hill就B-N结构的振荡器做了相关的研究。2011年，R. Ansari等人研究了温度对任意边界碳纳米管中C60振动的影响，Cheng-Da Wu等人进行了不同荷载下碳纳米管振荡器的研究，M.C.G. Lim等人做了金属原子在碳纳米管中的振荡研究。 可见，对碳纳米管振荡的研究自从开始后就一直没有结束，国内外的科研人员在致力于研究发现能产生高频的碳纳米管振荡器，而本文用独特的方法——富勒烯内嵌不同原子并辅助单独原子比较找出能产生最高频的简单系统振荡器。
