پایانامه بررسی اثر ناخالص سازی بر روی رفتار فلزی ، شبه فلزی نانولوله های کربنی تک جداره

توضیحات محصول

چکیده

پس از کشف نانولوله­های کربنی توسط ایجیما و همکارانش بررسی­های بسیار زیادی بر روی این ساختارها در سایر علوم انجام شده است. این ساختارها به دلیل خواص منحصر به فرد مکانیکی و الکتریکی که از خود نشان داده­اند جایگزین مناسبی برای سیلیکون و ترکیبات آن در قطعات الکترونیکی خواهند شد. در اینجا به بررسی خواص الکتریکی نانولوله­های کربنی زیگزاگ که به عنوان یک کانال بین چشمه و دررو قرار داده شده پرداختیم و نحوه­ی توزیع جریان در ترانزیستور­های اثر میدانی  را در شرایط دمایی و میدان­های مختلف بررسی کرده ایم. از آنجایی که سرعت خاموش و روشن شدن ترانزیستور برای ما در قطعات الکترونیکی و پردازنده­های کامپوتری از اهمیت ویژه­ای برخوردار است،  انتخاب نانولوله­ای که تحرک پذیری بالایی داشته باشد بسیار مهم است. نتایج بررسی­ها نشان می­دهد تحرک پذیری الکترون در نانولوله­­های کربنی متفاوت به ازای  میدان­های مختلفی که در طول نانولوله­ها اعمال شود، مقدار بیشینه­ای را خواهد گرفت. بنا بر این در نانو لوله های کربنی ما به بررسی اعمال اثر ناخالصی در نانوله ها پرداختیم .

واژه های کلیدی:نانولوله­ی کربنی،  ترانزیستور اثر میدانی، مدل ثابت نیرو ،  تحرک­پذیری الکترون

فهرست مطالب

 عنوان                                                                                                       صفحه

چکیده1

فصل اول: کلیات تحقیق2

1-1بیان مسئله:3

1-2 پرسش‌های تحقیق:8

1-3 فرضیه‌های تحقیق:8

1-4 مقدمه‌ای بر فناوری نانو9

1-5 پیشینه‌ی تحقیق10

1-6 هدف از انجام این پروژه11

فصل دوم: نانولوله های کربنی مفاهیم، خواص، شیوه های سنتز تا کاربرد13

1-2 مقدمه 14

2-2 نانو لوله‌هاي كربني 14

2-2-1-كشف نانولوله 16

2-3- انواع نانولوله‌هاي كربني 20

2-3-1- نانولوله‌ي كربني تك ديواره (SWCNT) 20

2-3-2 نانولوله‌ي كربني چند ديواره (MWNT) 24

2-3-3طول پيوند و قطر نانو لوله کربني تک ديواره25

2-4-خواص نانو لوله هاي کربني26

2-4-1-واكنش پذيري شيميايي 27

2-4-2-خواص الكتريكي27

2-4-3-نواقص 29

2-5-فرايندهاي توليد نانولوله هاي کربني30

2-5-1- قوس الکتريکي30

2-5-2- رسوب دهي شيميايي حرارتی(CVD)  33

2-6- کاربرد هاي نانولوله هاي کربني  36

2-6-1-استفاده در نمایشگرهای تشعشع میدانی: 36

2-6-2-استفاده از نانولوله های تک دیواره در صنعت الکترونیک: 37

2-6-3-ساختار تو خالی نانولوله و کاربرد به عنوان ذخیره کننده و پیل سوختی: 37

2-6-4-ساخت نانوماشین ها با استفاده از نانولوله های کربنی; 38

2-6-5-ترانزيستورها:38

2-6-6-حسگرها 39

2-6-7-حافظه‌هاي نانو لوله‌اي39

2-7-چالش هاي فراوري40

2-7-1-اتصال نانولوله‌ها و ايجاد رشته‌ها41

2-7-2-جلوگيري از توده‌اي شدن نانولوله‌ها 41

فصل سوم: خواص الکتریکی، مدلسازی و آلایش نانولوله های کربنی44

3-1 مدل هاي تدوين شده براي شبيه سازي رفتار نانولوله هاي کربني45

3-2 نيرو در ديناميک مولکولي46

3-2-1 نيروهاي بين اتمي47

3-2-1-1 پتانسيل هاي جفتي48

3-2-1-1-1-اندرکنش کولمبي بلند برد48

3-2-1-1-2-اندرکنش هاي کوتاه برد49

3-2-1-1-3-شعاع برش 52

3-2-1-2 پتانسيل هاي چندتايي52

3-2-1-3-پتانسيل هاي موضعي 53

3-2-2 ميدان هاي خارجي نيرو55

3-3- ارائه مدل هاي تدوين شده براي شبيه سازي نانولوله هاي کربني55

3-3-3 مدل اجزاء محدود بوسيله کد عددي تدوين شده توسط نرم افزار MATLAB56

3-3-4- ماتريس الاستيسيته58

3-3-5-آناليز خطي و روش اجزاء محدود برپايه جابجائي60

3-3-6-تعيين و نگاشت المان60

3-3-7-ماتريس کرنش-جابجائي63

3-4-3-6 ماتريس سختي براي يک المان ذوزنقه اي65

3-3-8- ماتريس سختي براي يک حلقه کربن66

3-3-9- ماتريس سختي براي يک ورق گرافيتي تک لايه 70

3-3-10- مدل پيوسته به منظور تعيين خواص مکانيکي ورق گرافيتي تک لايه72

3-4-ترازهای انرژی نانولوله¬ی کربنی74

3-4-1- چگالی حالات در نانولوله¬ی کربنی 77

3-5-اثر ناخالصي اتمي بر خواص الكتروني ابرشبكه هايي از نانولوله كربني79

3-6-محاسبات در غياب اتم ناخالصي82

3-7-محاسبات در حضور اتم ناخالصي83

فصل چهارم: طراحی و شبیه سازی93

4-1 مقدمه :94

4-2 چگالی حالت و غلظت حامل : 98

4-3-نانولوله کربنی نیمه هادی بدون ناخالصی103

4-4 نانولوله کربنی فلزی 108

4-5 چگالی الکترون ها و ساختار مولکولی نانو لوله های کربنی109

4-6- بررسی اثر ناخالص سازی در گروه اول  115

4-7 نتیجه گیری121

فصل پنجم: نتیجه گیری و پیشنهادات   122

5-1 نتیجه گیری  123

5-2 پیشنهادهای تحقیق  124

منابع و مآخذ 125

منابع 126

چكيده انگليسي1

فهرست اشکال

عنوان                                                                                                       صفحه

شکل1-1: انواع نانو لوله ها5

شکل1-2بردارهای هندسی نانولوله ها5

شکل 2-1: اشکال متفاوت مواد با پايه کربن15

شکل 2-2: تصوير گرفته شده TEM که فلورن هايي کپسول شده به صورت نانولوله هاي کربني تک ديواره (SWCNTs)  را نشان مي دهد17

شکل 2-3: تصوير TEM  از  نانولوله کربني دو ديواره که فاصله دو ديواره در عکس TEM nm36/0 مي باشد.18

شکل 2-4: تصوير TEM گرفته شده  از  نانوپيپاد 18

شکل 2-5: انواع نانولوله:  (الف) ورق گرافيتي (ب) نانولوله زيگزاگ (0، 12)  (ج) نانولوله زيگزاگ (6، 6)  (د) نانولوله کايرال (2، 10) 21

شکل 2-6: شبکه شش گوشه اي اتم هاي کربن22

شکل2-7 تصوير شماتيک شبکه شش گوشه اي ورق گرافيتي، شامل تعريف پارامترهاي ساختاري پايه و توصيف اشکال نانولوله هاي کربني تک ديواره23

شکل 2-8: شکل شماتيک يک نانولوله کربني چند ديواره MWCNTs24

شکل 2-9: تصوير سطح مقطع يک نانو لوله26

شکل 2-10: آزمايش تخليه قوس31

شکل 2-11: شماتيک ابزار CVD.34

شکل 3-1: نمايش نيرو وپتانسيل لنارد-جونز برحسب فاصله بين اتمي r50

شکل 3-2: نمايش نيرو وپتانسيل مورس برحسب فاصله بين اتمي r51

شکل 3-3: تصوير شماتيک اتمهاي i،j وk و پيوندها و زاويه پيوند مربوطه53

شکل3-4: يک مدل جزئي از ساختار شبکه اي رول نشده که نانولوله کربني را شکل مي دهد. شش ضلعي هاي متساوي الاضلاع نماينده حلقه هاي شش ضلعي پيوند هاي کووالانس کربن مي باشد، که هر رأس آن محل قرار گيري اتم کربن مي باشد.57

شکل3-5: شکل يک حلقه کربن به صورت يک شش ضلعي متساوي الاضلاع و هر اتم کربن به عنوان گره با نامگذاري قراردادي60

شکل 3-6: شکل يک ذوزنقه متساوي الساقين از حلقه شش گوشه  اي کربن (الف) در فضاي   x و y  (ب) شکل نگاشت يافته در فضاي r و s .61

شکل 3-7: المان ذوزنقه اي هم اندازه و مشابه المان اصلي ABCF که در صفحه به اندازه زاويه θ چرخيده است. 66

شکل 3-8: شش حالت ممکن ذوزنقه شکل گرفته در شش گوشه اي کربن ABCDEF. هر ذوزنقه يک شکل دوران يافته از ديگري است 69

شکل 3-9: حلقه شش گوشه اي کربن ABCDEF که تشکيل شده از دو ذوزنقه ABCD و DEFC، دراين شکل نشان داده شده که در اين حالت تنها CF ايجاد شده است. 70

شکل 3-10: شکل شماتيک حلقه کربن شش گوشه اي به عنوان المان پايه صفحه گرافيتي71

شکل 3-11: پارامترهاي هندسي ورق گرافيتي72

شکل 3-12: مدل ورق گرافيتي زيگزاگ . 73

شکل3-13: (الف) نمودار سطوح انرژی برای نانولوله زیگزاگ  (ب) سطوح انرژی نانولوله آرمیچر  .76

شکل 3-14: نمایش تبهگنی خطوط مجاز انرژی برای نانولولهی  77

نمودار 3-15:در این شکل چگالی حالت برای دو نانولولهی     78

شكل3-16 : شماتيكي از اتصال 1(12,0)/1(6,6) و 1(12,0)/1(11,0). پيكان ها نحوه لوله شدن را در نانولوله نشان مي دهند. 81

شكل 3-17 : نمايشي از ساختار نواري و چگالي حالت براي نانولوله هاي كربني. 82

شكل 3-18: نمايشي از ساختار نواري و چگالي حالات براي ابرشبكه هاي 83

شكل 3-19 : نمايشي از ساختار نواري و چگالي حالات براي ابرشبكه هاي.84

شكل 3-20 : نمايشي از ساختار نواري براي ابرشبكه هاي 185

شكل 3-21: نمايشي از چگالی حالت ها براي ابرشبكه هاي 1.85

شکل 3-22 : نمايشي از ساختار نوار الکترونی براي ابرشبكه هاي 1.86

شكل 3-23 : نمايشي از چگالی حالت ها براي ابرشبكه هاي.87

شکل 3-24: نمودار چگالی حالت الکترونی 91

شکل 3-25: نمودار رسانندگی الکترونی 91

شکل 3-26 : (a) اندازه چگالی حالت و (b) رسانندگی الکترونی نانولوله (5،5) در انرژی فرمی EF=0 بر حسب افزایش ناخالصی 92

شکل 4-1 / تصویر چگونگی رول شدن یک صفحه گرافن94

شکل 4-2 / غلظت حامل در نانولوله کربنی نیمههادی (13،0) 101

شکل 4-3 / غلظت حامل در نانولوله کربنی فلزی (13،13) 101

شکل4-4/ شبیه سازی شکاف نوار انرژی نانولوله های کربنی نیمه هادی (1،0)104

شکل 4-5 نتیجه شبیه سازی شکاف نوار انرژی نانولوله کربنی نیمههادی (20،0) 105

شکل 4-6 نتیجه شبیه سازی شکاف نوار انرژی نانولوله کربنی نیمههادی (50،0) 105

4-7 نمودار تغییرات شکاف نوار انرژی در نانولولههای کربنی نیمه هادی  بر اساس (n,0)106

شکل 4-8 نتیجه شبیه سازی شکاف نوار انرژی نانولوله کربنی نیمههادی (2،1) 107

شکل 4-9 نتیجه شبیه سازی شکاف نوار انرژی نانولوله کربنی نیمههادی (18،1) 107

شکل 4-10 نتیجه شبیه سازی شکاف نوار انرژی نانولوله کربنی فلزی (1،1 ) 108

شکل 4-11 نتیجه شبیه سازی شکاف نوار انرژی نانولوله کربنی فلزی (55،55) 109

شکل 4-12 نتیجه شبیه سازی برای غلظت حامل نانولوله کربنی فلزی (13،13)  114

شکل 4-13 نتیجه شبیه سازی برای غلظت حامل نانولوله کربنی نیمههادی (13،0) 114

شکل 4-14 نتیجه شبیه سازی شکاف نوار انرژی نانولوله کربنی نیمهفلزی همراه با ناخالصی (0و1) 116

شکل 4-15 نتیجه شبیه سازی شکاف نوار انرژی نانولوله کربنی نیمهفلزی همراه با ناخالصی (0و20) 116

شکل 4-16 نتیجه شبیه سازی شکاف نوار انرژی نانولوله کربنی نیمهفلزی همراه با ناخالصی (0و50) 117

شکل 4-17 نتیجه شبیه سازی شکاف نوار انرژی نانولوله کربنی نیمهفلزی همراه با ناخالصی (7،1) 117

شکل 4-18 نتیجه شبیه سازی شکاف نوار انرژی نانولوله کربنی نیمهفلزی همراه با ناخالصی (19،1) 118

4-19 نمودار تغییرات شکاف نوار انرژی در نانولولههای کربنی نیمه فلزی  بر اساس(n,0)  همراه با ناخالصی119

شکل 4-20 نتیجه شبیه¬سازی شکاف نوار انرژی نانولوله کربنی فلزی (1،1) 120

شکل 4-21 نتیجه شبیه¬سازی شکاف نوار انرژی نانولوله کربنی فلزی (55،55) 120