(Luận văn thạc sĩ) Mô hình hóa và thiết kế hệ NEMS theo hướng tiếp cận phân tích đa trường

(Luận văn thạc sĩ) Mô hình hóa và thiết kế hệ NEMS theo hướng tiếp cận phân tích đa trường(Luận văn thạc sĩ) Mô hình hóa và thiết kế hệ NEMS theo hướng tiếp cận phân tích đa trường(Luận văn thạc sĩ) Mô hình hóa và thiết kế hệ NEMS theo hướng tiếp cận phân tích đa trường(Luận văn thạc sĩ) Mô hình hóa và thiết kế hệ NEMS theo hướng tiếp cận phân tích đa trường(Luận văn thạc sĩ) Mô hình hóa và thiết kế hệ NEMS theo hướng tiếp cận phân tích đa trường(Luận văn thạc sĩ) Mô hình hóa và thiết kế hệ NEMS theo hướng tiếp cận phân tích đa trường(Luận văn thạc sĩ) Mô hình hóa và thiết kế hệ NEMS theo hướng tiếp cận phân tích đa trường(Luận văn thạc sĩ) Mô hình hóa và thiết kế hệ NEMS theo hướng tiếp cận phân tích đa trường(Luận văn thạc sĩ) Mô hình hóa và thiết kế hệ NEMS theo hướng tiếp cận phân tích đa trường(Luận văn thạc sĩ) Mô hình hóa và thiết kế hệ NEMS theo hướng tiếp cận phân tích đa trường(Luận văn thạc sĩ) Mô hình hóa và thiết kế hệ NEMS theo hướng tiếp cận phân tích đa trường(Luận văn thạc sĩ) Mô hình hóa và thiết kế hệ NEMS theo hướng tiếp cận phân tích đa trường(Luận văn thạc sĩ) Mô hình hóa và thiết kế hệ NEMS theo hướng tiếp cận phân tích đa trường(Luận văn thạc sĩ) Mô hình hóa và thiết kế hệ NEMS theo hướng tiếp cận phân tích đa trường(Luận văn thạc sĩ) Mô hình hóa và thiết kế hệ NEMS theo hướng tiếp cận phân tích đa trường(Luận văn thạc sĩ) Mô hình hóa và thiết kế hệ NEMS theo hướng tiếp cận phân tích đa trường(Luận văn thạc sĩ) Mô hình hóa và thiết kế hệ NEMS theo hướng tiếp cận phân tích đa trường(Luận văn thạc sĩ) Mô hình hóa và thiết kế hệ NEMS theo hướng tiếp cận phân tích đa trường

LỜI CAM ĐOAN Tơi cam đoan cơng trình nghiên cứu Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Tp Hồ Chí Minh, ngày 27 tháng 10 năm 2016 Vũ Đức Tuấn v LỜI CẢM ƠN Sau thời gian thực luận văn: “Mơ hình hóa thiết kế hệ NEMS theo hướng tiếp cận phân tích đa trường” tơi hồn thành Ngồi nỗ lực cố gắng thân, tơi cịn nhận giúp đỡ tận tình q thầy bạn bè trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp HCM Đặc biệt, tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc chân thành Thầy hướng dẫn khoa học: TS Mai Đức Đãi động viên, tận tình hướng dẫn, phản biện đóng góp ý kiến cho luận văn tơi hồn thiện Cuối cùng, xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè đồng nghiệp ủng hộ, động viên truyền cảm hứng cho tơi hồn thành tốt luận văn Tp Hồ Chí Minh, ngày 27 tháng 10 năm 2016 Vũ Đức Tuấn vi TÓM TẮT Hệ điện nano (NEMS) sử dụng ống nano cacbon hứa hẹn có nhiều ứng dụng như: điện tử viễn thơng, cảm biến lực cảm biến khối lượng siêu nhạy… Các cơng trình nghiên cứu trước thực phương diện lý thuyết, mơ thí nghiệm Tuy nhiên, tồn số hạn chế như: có khác biệt lý thuyết thí nghiệm, mơ CNT có chiều dài nhỏ, điều kiện kỹ thuật thiết bị khơng đảm bảo độ xác, cộng với khoản chi phí tốn để thực Để khắc phục hạn chế đó, nghiên cứu sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để mơ hình hóa thiết kế hệ NEMS theo hướng tiếp cận phân tích đa trường Trong đó, mơ hình đàn hồi liên tục sử dụng để mơ hình hóa CNT phần tử Trans126 dùng để mô tả tương tác – điện Các kết nghiên cứu chứng minh phương pháp sử dụng có kết hoàn toàn tương đồng với nghiên cứu trước Đồng thời có, thể điều chỉnh tần số dao động hệ NEMS thông qua việc thay đổi điện áp chiều đặt điện cực CNT Tần số cộng hưởng hệ NEMS tỉ lệ thuận với điện áp DC Nghiên cứu tiến hành khảo sát ứng xử hệ NEMS cho ứng dụng cảm biến khối lượng thang đo nano Từ khóa: Thiết bị NEMS, Mơ hính hóa đa trường, Cảm biến siêu nhạy vii ABSTRACT Nano electromechanical system based on carbon nanotubes have been promised for use in various applications, such as radio-frequency signal processing, ultrasensitive force detection, ultrasensitive mass detection These earlier studies have been done in terms of theory, simulation and experiment However, There are several limitations such as: difference between a theoretical value and an experimental value, small CNT lengths in the simulations, technical conditions and equipment does not guarantee precision, too expensive to experiments To overcome these limitations, This research will be use the finite element method to modeling and designing NEMS approach towards multi-field analysis In particular, continuous elastic model and Trans126 is used to describe ElectroMachanical interactions The results of this research showing that our methods are completely similar to earlier studies It also shows that we can adjust the NEMS oscillation frequency by changing the DC gate voltage The NEMS’s resonance frequency proportional to DC voltage This study was also conducted surveys to behavior of NEMS for mass sensor applications in nano-scale Keywords: NEMS divice, Multiphysics Modeling, ultrasensitive sensing viii MỤC LỤC Trang 1.1 Tổng quan hệ NEMS 1.1.1 Giới thiệu 1.1.2 Cấu tạo nguyên lý hoạt động chung hệ NEMS 1.1.3 Hệ NEMS với thành phần học CNT 1.1.4 Các thông số hoạt động đặc điểm hệ NEMS [3] 1.1.5 Ứng dụng hệ NEMS 1.2 Các nghiên cứu hệ NEMS với phần tử học CNT 1.3 Hạn chế nghiên cứu công bố 11 1.4 Mục đích đề tài 12 ix 1.5 Nhiệm vụ, đối tượng phạm vi nghiên cứu 13 1.5.1 Nhiệm vụ đề tài 13 1.5.2 Đối tượng nghiên cứu 13 1.5.3 Phạm vi nghiên cứu 13 1.6 Kết cấu luận văn 13 2.1 Định nghĩa CNT 15 2.2 Cấu trúc CNT 16 2.3 Một số tính chất CNT 17 2.3.1 Tính chất học 17 2.3.2 Tính dẫn điện 19 2.3.3 Tính dẫn nhiệt 19 2.4 Một số ứng dụng CNT 20 2.4.1 Transistor hiệu ứng trường 20 2.4.2 Ứng dụng xử lý nước 20 2.4.3 Ứng dụng cảm biến 21 3.1 Mơ hình hóa ống nano carbon 22 3.1.1 Mơ hình ngun tử (Atomistic modeling) 22 x 3.1.2 Mơ hình học kết cấu nguyên tử (Molecular structural mechanics) 23 3.1.3 Mơ hình đàn hồi liên tục (Continuum elastic models) 24 3.1.4 Ưu nhược điểm phương pháp mơ hình hóa CNT 24 3.1.5 Lựa chọn phương pháp mơ hình hóa 25 3.2 Dao động học CNT hệ NEMS 26 3.3 Các phương pháp kích thích dao động hệ NEMS 29 3.3.1 Phương pháp điều chỉnh tĩnh điện (Electrostatic Tuning) 30 3.3.2 Phương pháp điều chỉnh điện từ (Magnetomotive Tuning) 30 3.3.3 Phương pháp điều chỉnh quang nhiệt (Photothermal Tuning) 31 3.3.4 Phương pháp điều chỉnh áp điện (Piezoelectric Tuning Mechanism) 31 3.4 Phân bố điện tích CNT 32 3.5 Tương tác Cơ – Điện hệ NEMS 34 3.5.1 Đối với ống nano carbon bị ngàm đầu 34 3.5.2 Đối với ống nano carbon bị ngàm hai đầu 36 3.6 Phương trình mơ tả dao động điều hịa hệ NEMS 37 4.1 Giới thiệu phương pháp phần tử hữu hạn [84] 40 4.2 Giới thiệu phần mềm ANSYS 41 4.3 Phân tích đa trường với phần mềm ANSYS 43 4.4 Sử dụng mơ hình thu gọn (Reduced Order Modeling) - TRANS126 44 4.5 Mơ hình hóa hệ NEMS 47 xi 4.6 Các bước giải toán ANSYS 49 4.7 Các yếu tố ảnh hưởng đến kết nghiên cứu 50 5.1 So sánh với nghiên cứu công bố 51 5.1.1 Tần số dao động tự nhiên hệ học 51 5.1.2 Chuyển vị CNT tác dụng điện áp 55 5.2 Ảnh hưởng điện áp lên tần số dao động hệ NEMS 57 5.2.1 Tần số dao động hệ NEMS tác dụng điện áp 57 5.2.2 Đáp ứng điều hòa hệ NEMS 60 5.3 Ứng dụng hệ NEMS cảm biến khối lượng 61 5.3.1 Mô hình cảm biến khối lượng 61 5.3.2 Quan hệ tần số độ dài CNT 62 5.3.3 Quan hệ tần số khối lượng hấp thụ 62 5.4 Sự thay đổi tần số cộng hưởng theo vị trí hấp thụ khối lượng 63 6.1 Kết luận 66 6.2 Hướng phát triển đề tài 67 xii DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT A: Tiết diện mặt cắt ngang AC: Điện áp xoay chiều CM - Continuum: Mơ hình liên tục CNT - Carbon nanotube: Ống nano cacbon DC: Điện áp chiều E: Mô đun đàn hồi I: Mơ men qn tính mặt cắt L: Độ dài CNT MD – Molecular dynamics: Động lực phân tử MEMS - Microelectromechanical systems: Hệ vi điện tử NEMS - Nanoelectromechanical Systems: Hệ điện nano MWCNT - Multi-Walled Carbon Nanotube: Ống nano cacbon đa tường R: Bán kính CNT ROM - Reduced Order Modeling: Mơ hình thu gọn SWCNT - Single-Walled Carbon NanoTube: Ống nano cacbon đơn tường 𝑡: độ dày CNT 𝜔: Tần số xiii DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 2.1: Tính chất học CNT qua cơng trình nghiên cứu 18 Bảng 5.1 Tần số cộng hưởng SWCNT so với nghiên cứu khác 51 Bảng 5.2 Tần số dao động tự nhiên ống nano cacbon 53 Bảng 5.3 Điện áp pull-in hệ NEMS với thông số khác 55 Bảng 5.4 Tần số riêng hệ mức điện áp khác 58 xiv KẾT LUẬN 6.1 Kết luận Trong nghiên cứu tác giả mơ hình hóa thành cơng hệ NEMS, thực khảo sát ảnh hưởng điện áp đến hoạt động hệ Đồng thời, nghiên cứu xác định ảnh hưởng điện áp khối lượng hấp thụ đến tần số dao động hệ NEMS cho ứng dụng cảm biến khối lượng Để thực thành công nghiên cứu, tác giả thực phân tích phương pháp mơ hình hóa CNT để lựa chọn phương pháp mơ hình hóa phần tử học, với việc mô tả thành công mối quan hệ trường học trường điện cới hỗ trợ phần mềm ANSYS Từ kết tìm nghiên cứu này, tác giả thực việc so sánh với kết công bố nghiên cứu trước để kiểm chứng lại phù hợp mơ hình lựa chọn Qua khẳng định rằng, tăng điện áp đặt điện cực CNT tần số dao động hệ NEMS tăng lên Khoảng tăng tần số ghi nhận tăng điện áp từ 0V đến 20V ∆𝜔1 = 45,65MHz từ 0V đến 30V ∆𝜔2 = 204,52MHz Dựa vào đặc tính ta sử dụng điện áp để điều khiển tần số dao động hệ NEMS cho mục đích ứng dụng khác Tuy nhiên, giá trị điện áp đặt lên hệ NEMS tăng đến mức giới hạn VPI Bởi lẽ, đạt đến giá trị lực tĩnh điện sinh đủ lớn để giữ chặt CNT vào điện cực, làm cho khơng thể dao động Trên sở kết nghiên cứu, tác giả khảo sát tần số dao động đáp ứng điều hòa hệ NEMS sử dụng cho ứng dụng cho cảm biến khối lượng thang đo nanogam 66 6.2 Hướng phát triển đề tài Trong nghiên cứu thực nghiên cứu ứng xử hệ NEMS phần mềm Thêm vào nghiên cứu chưa thể xem xét ảnh hưởng phi tuyến hình học lực van der Waals đến tần số dao động hệ NEMS Chính vậy, hướng phát triển đề tài viết thuật toán riêng để thực giải tốn phân tích điện, áp dụng cho hệ NEMS Trong có kể đến ảnh hưởng phi tuyến hình học lực van der Waals 67 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] V Sazonova, Y Yaish, H Üstünel, D Roundy, T s A Arias, and P L McEuen, "A tunable carbon nanotube electromechanical oscillator," Nature, vol 431, pp 284-287, 2004 [2] K Ekinci and M Roukes, "Nanoelectromechanical systems," Rev Sci Instrum, vol 76, p 061101, 2005 [3] H Campanella, Acoustic Wave and Electromechanical Resonators: Concept to Key Applications: Artech House, 2010 [4] F Leonard, The Physics of Carbon NanoTube Devices: William andrew inc, 2008 [5] K Jensen, K Kim, and A Zettl, "An atomic-resolution nanomechanical mass sensor " Nature Nanotechnology, vol 3, pp 533 - 537, 2008 [6] J H Harlow, Electric power transformer engineering: CRC Press, 2004 [7] M H Tooley, Electronic circuits: fundamentals and applications: Newnes, 2006 [8] S S Verbridge, D F Shapiro, H G Craighead, and J M Parpia, "Macroscopic Tuning of Nanomechanics: Substrate Bending for Reversible Control of Frequency and Quality Factor of Nanostring Resonators," Nano Lett, vol 7, pp 1728-1735, 2007 [9] Y T Yang, C Callegari, X L Feng, K L Ekinci, and M L Roukes, "Zeptogram-Scale Nanomechanical Mass Sensing," Nano Letters, vol 6, pp 583-586, 2006 [10] H Y Chiu, P Hung, H W C Postma, and M Bockrath, "Atomic-Scale Mass Sensing Using Carbon Nanotube Resonators," NANO LETTERS, vol 8, pp 4342-4346, 2008 [11] A K Naik, M S Hanay, W K Hiebert, X L Feng, and M L Roukes, "Towards single-molecule nanomechanical mass spectrometry," Nat Nanotechnol., vol 4, pp 445-450, 2009 [12] A Y Joshi, S C Sharma, and S P Harsha, "Zeptogram scale mass sensing using single walled carbon nanotube based biosensors," Sensors and Actuators A: Physical, vol 168, pp 275–280, 2011 [13] M L Roukes, "Nanoelectromechanical systems," in Technical Digest of the 2000 Solid-State Sensor and Actuator Workshop, Hilton Head Isl, 2000 68 [14] T Rueckes, K Kim, E Joselevich, G Y Tseng, C L Cheung, and C M Lieber, "Carbon Nanotube-Based Nonvolatile Random Access Memory for Molecular Computing," Science, vol 289, pp 94-97, 2000 [15] H J Mamin and D Rugar, "Sub-attonewton force detection at millikelvin temperatures," Appl Phys Lett, vol 79, p 3358, 2001 [16] J L Arlett, J R Maloney, B Gudlewski, M Muluneh, and M L Roukes, "Self-Sensing Micro- and Nanocantilevers with Attonewton-Scale Force Resolution," Nano Lett, vol 6, pp 1000-1006, 2006 [17] E Gil-Santos, D Ramos, J Martínez, R García, A S Paulo, M Calleja, et al., "Nanomechanical mass sensing and stiffness spectrometry based on twodimensional vibrations of resonant nanowires," Nat Nanotechnol., vol 5, pp 641-645, 2010 [18] M Zheng, K Eom, and C Ke, "Calculations of the resonant response of carbon nanotubes to binding of DNA," J Phys D: Appl Phys., vol 42, p 145408, 2009 [19] R G Knobel, "Weighing single atoms with a nanotube," Nat Nanotechnol., vol 3, pp 525-526, 2008 [20] K S Hwang, K Eom, J H Lee, D W Chun, B H Cha, D S Yoon, et al., "Dominant surface stress driven by biomolecular interactions in the dynamical response of nanomechanical microcantilevers," Appl Phys Lett., vol 89, p 173905, 2006 [21] S Kim and K D Kihm, "Effect of adsorption-induced surface stress change on the stiffness of a microcantilever used as a salinity detection sensor.," Appl Phys Lett., vol 93, p 081911, 2008 [22] M J Lachut and J E Sader, "Effect of Surface Stress on the Stiffness of Cantilever Plates," Phys Rev Lett., vol 99, p 206102, 2007 [23] J Dorignac, A Kalinowski, S Erramilli, and P Mohanty, "Dynamical Response of Nanomechanical Oscillators in Immiscible Viscous Fluid for In Vitro Biomolecular Recognition," Phys Rev Lett., vol 96, p 186105, 2006 [24] K Jensen, A Zettl, and J Weldon, "Nanomechanical radio transmitter," 2008 [25] K Eom, H S Park, D S Yoon, and T Kwon, "Nanomechanical resonators and their applications in biological/chemical detection: Nanomechanics principles," Phys Rep., vol 503, pp 115-163, 2011 [26] N Backmann, C Zahnd, F Huber, A Bietsch, A Pluckthun, H P Lang, et al., "A label-free immunosensor array using single-chain antibody fragments," 2005 69 [27] A Gupta, D Akin, and R Bashir, "Single virus particle mass detection using microresonators with nanoscale thickness," Appl Phys, vol 84, 2004 [28] D J Muller and Y F Dufrene, "Atomic force microscopy as a multifunctional molecular toolbox in nanobiotechnology," Nature nanotechnology, vol 3, p 261, 2008 [29] T Kwon, K Eom, J Park, D S Yoon, H L Lee, and T S Kim, "Micromechanical observation of the kinetics of biomolecular interactions," Appl Phys Lett., vol 93, p 173904, 2008 [30] T Kwon, J Park, J Yang, D S Yoon, S Na, C W Kim, et al., "Nanomechanical In Situ Monitoring of Proteolysis of Peptide by Cathepsin B," PLoS ONE, vol 4, p e6248, 2009 [31] P Poncharal, Z Wang, D Ugarte, and W D Heer, "Electrostatic deflections and electromechanical resonances of carbon nanotubes," Science, vol 283, pp 1513-1516, 1999 [32] M Dequesnes, S V Rotkin, and N R Alum, "Calculation of pull-in voltages for carbon-nanotube-based nanoelectromechanical switches," Nanotechnology, vol 13, pp 120-131, 2002 [33] S Sapmaz, Y M Blanter, L Gurevich, and H S J v d Zant, "Carbon nanotubes as nanoelectromechanical systems," PHYSICAL REVIEW B, vol 67, p 235414, 2003 [34] C Li and T.-W Chou, "Mass detection using carbon nanotube-based nanomechanical resonators," APPLIED PHYSICS LETTERS, vol 84, pp 5246-5248, 2004 [35] S K Georgantzinos and N K Anifantis, "Carbon nanotube-based resonant nanomechanical sensors: A computational investigation of their behavior," Physica E, vol 42, pp 1795–1801, 2010 [36] I Mehdipour and A Barari, "Why the center-point of bridged carbon nanotube length is the most mass sensitive location for mass attachment?," Computational Materials Science, vol 55, pp 136–141, 2012 [37] S Iijima, "Helical microtubules of graphitic carbon," Nature 354, 1991 [38] M.S.Dresselhaus, G.Dresselhaus, and P.C.Eklund, "Science of Fullerenes and Carbon Nanotubes," in Academic Press, San Diego, 1996 [39] R Rafiee and R M Moghadam, "On The Modeling of Carbon Nanotubes: A Critical Review," Composites Part B: Engineering, vol 56, pp 435–449, 2014 [40] B I Yakobson, C J Brabec, and J Bernholc, "Nanomechanics of carbon tubes: instabilities beyond linear response," Physical Review Letters, vol 76, pp 2511-2514, 1996 70 [41] J P Lu, "Elastic Properties of Carbon Nanotubes and Nanoropes," Phys Rev Lett, vol 79, pp 1297–1300, 1997 [42] A Krishnan, E Dujardin, T W Ebbesen, P N Yianilos, and M M J Treacy, "Young’s modulus of single-walled nanotubes " Phys Rev B, vol 58, pp 14013–14019, 1998 [43] Z Xin, Z Jianjun, and O Y Zhong-Can, "Strain energy and Young’s modulus of single-wall carbon nanotubes calculated from electronic energy-band theory," Phys Rev B, vol 62, pp 13692–13696, 2000 [44] E W Wong, P E Sheehan, and C M Lieber, "Nanobeam Mechanics: Elasticity, Strength, and Toughness of Nanorods and Nanotubes," Science, vol 227, p 1971, 1997 [45] F Li, H M Cheng, S Bai, G Su, and M S Dresselhaus, "Tensile strength of single-walled carbon nanotubes directly measured from their macroscopic ropes," Appl Phys Lett, vol 77, p 3161, 2000 [46] Z.-c Tu and Z Ou-Yang, "Single-walled and multiwalled carbon nanotubes viewed as elastic tubes with the effective Young’s moduli dependent on layer number," Phys Rev B, vol 65, p 233407, 2002 [47] C Li and T.-W Chou, "Elastic moduli of multi-walled carbon nanotubes and the effect of van der Waals forces," Comput Sci Technol, vol 63, pp 1517– 1524, 2003 [48] T V C Zhang, "Effective wall thickness of a singlewalled carbon nanotube," Phys Rev B, vol 68, p 165401, 2003 [49] S S Gupta and R C Batra, "Continuum structures equivalent in normal mode vibrations to single-walled carbon nanotubes," Computational Materials Science, vol 43, pp 715–723, 2008 [50] G I Giannopoulos, P A Kakavas, and N K.Anifantis, "Evaluation of the effective mechanical properties of single-walled carbon nanotubes using a spring based finite element approach," Comput Mater Sci, vol 41, pp 561569, 2008 [51] M M Shokrieh and R Rafiee, "Prediction of Young’s modulus of graphene sheets and carbon nanotubes using nanoscale continuum mechanics approach," Materials and Design, vol 31, pp 790–795, 2010 [52] J V A d Santos, "Effective Elastic Moduli Evaluation of Single Walled Carbon Nanotubes Using Flexural Vibrations," Mech Adv Mater Struct, vol 18, pp 262-271, 2011 [53] X Lu and Z Hu, "Mechanical property evaluation of single-walled carbon nanotubes by finite element modeling," Composites Part B, vol 43, pp 1902–1913, 2012 71 [54] R Rafiee and M Heidarhaei, "Investigation of chirality and diameter effects on the Young’s modulus of carbon nanotubes using non-linear potentials," CompositeStructures, vol 94, pp 2460–2464, 2012 [55] J Hone, M Whitney, and A Zettl, "Thermal conductivity of single-walled carbon nanotubes," Synthetic Metals, vol 103, pp 2498-2499, 1999 [56] Bachtold, P Hadley, T Nakanishi, and C Dekker, "Logic circuits with carbon nanotube transistor," Science, vol 294, pp 1317-1319, 2001 [57] M Croci, I Arfaoui, T Stockli, A Chatelain, and J M Bonard, "A fully sealed luminescent tube based on carbon nanotube field emission," Microelectronics Journal, vol 35, pp 329-336, 2004 [58] Q Lu and B Bhattacharya, "The role of atomistic simulations inprobing the small-scale aspects of fracture—a case study on a single-walled carbon nanotube," Eng Fract Mech, pp 2037-2071, 2005 [59] E.Hernandez, C.Goze, P.Bernier, and A.Rubio, "Elastic properties of C and BxCyNz composite nanotubes," Physical Review Letters, vol 80, pp 4502– 4505 1998 [60] D S Portal, E.Artacho, J.M.Soler, A.Rubio, and P.Ordejón, "Ab initio structural, elastic, and vibrational properties of carbon nanotubes," Physical Review B, vol 59, pp 12678–12688, 1999 [61] T.Belytschko, S.P.Xiao, G.C.Schatz, and R.S.Ruoff, "Atomistic simulations of nanotube fracture," Physical Review B, vol 65, p 235430, 2002 [62] J.R.Xiao, B.A.Gama, and J.W.Gillespie, "An analyticalmolecular structural mechanics model for the mechanical properties of carbon nanotubes," International Journalof Solids and Structures vol 42, pp 3075–3092, 2005 [63] C.Brabec, A.Maiti, J.Bernholc, and S.Iijima, "Structural flexibility of carbon nanotubes," Journal of Chemical Physics, vol 104, pp 2089–2092 1996 [64] C.F.Cornwell and L.T.Wille, "Elastic properties of single-walled carbon nanotubes in compression," Solid State Communications, vol 101, pp 555– 558, 1997 [65] N.Yao and V.Lordi, "Young’s modulus of single-walled carbon nanotubes," Journal of Applied Physics, vol 84, pp 1939–1943, 1998 [66] J Zhao, N Wei, Z Fan, J Jiang, and T Rabczuk, "The mechanical properties of three types of carbon allotropes," Nanotechnology, vol 24, p 095702 2013 [67] C Y Li and T W Chou, "A structural mechanics approach for the analysis ofcarbon nanotubes," Int J Solids Struct, vol 40, pp 2487–2499, 2003 72 [68] B.I.Yakobson, C.J.Brabec, and J.Bernholc, "Structural mechanics of carbon nanotubes: from continuum elasticity to atomistic fracture," Journal of Computer-Aided Materials Design, vol 3, pp 173–182, 1996 [69] B.I.Yakobson and R.E.Smalley, "Fullerene nanotubes: C1,000,000 and beyond," American Scientist, vol 85, 1997 [70] J.Bernholc, C.Brabec, M.B.Nardelli, A.Maiti, C.Roland, and B.I.Yakobson, "Theory of growth and mechanical properties of nanotubes," Applied Physics, vol 67, pp 39–46, 1998 [71] K.-T Lau, M Chipara, H Ling, and D Hui, "On the effective elastic moduli of carbon nanotubes for nanocomposite structures," Composites: Part B, vol 35, pp 95–101, 2004 [72] V Pini, J Tamayo, E Gil-Santos, D Ramos, P M Kosaka, H D Tong, et al., "Shedding Light on Axial Stress Effect on Resonance Frequencies of Nanocantilevers," ACS Nano Lett, vol 5, pp 4269–4275, 2011 [73] E Hung and S Senturia, "Extending the travel range of analog-tuned electrostatic actuators," J Microelectromech Syst, vol 8, pp 497–505, 1999 [74] P Keblinski, S K Nayak, P Zapol, and P M Ajayan, "Charge Distribution and Stability of Charged Carbon Nanotube," Phys Rev Lett., vol 89, 2002 [75] S V Rotkin, V Shrivastava, K A Bulashevich, and N R Aluru, "Atomic Capacitance of a Nanotube Electrostatic Device," Int J Nanosci., vol 1, pp 337–346, 2002 [76] C H Ke and H D Espinosa, "Numerical Analysis of Nanotube Based NEMS Devices—Part I: Electrostatic Charge Distribution on Multiwalled Nanotubes," ASME J Appl Mech., vol 72, pp 721-725, 2005 [77] C H Ke, H D Espinosa, and N Pugno, "Numerical Analysis of Nanotube Based NEMS Devices—Part II: Role of Finite Kinematics, Stretching and Charge concentrations," ASME J Appl MecK, vol 72, pp 726 - 731, 2005 [78] W Hayt and J Buck, Engineering Electromagnetics, 6th ed New York: McGraw-Hill, 2001 [79] D G Fertis, Nonlinear Mechanics, 2nd ed Boca Raton, Florida: CRC, 1999 [80] M Sathyamoorthy, Nonlinear Analysis of Structures Boca Raton, FL: CRC, 1998 [81] K Breuer, Microscale Diagnostic Techniques: Springer Science & Business Media, 2005 [82] C Li and T.-W Chou, "Vibrational behaviors of multiwalled-carbonnanotube-based nanomechanical resonators," Appl Phys Lett., vol 84, p 121, 2004 73 [83] D H Wu, W T Chien, C S Chen, and H H Chen, "Resonant frequency analysis of fixed-free single-walled carbon nanotube-based mass sensor," Sensors and Actuators A: Physical, vol 126, pp 117–121, 2006 [84] N H Sơn, L T Phong, and M Đ Đãi, Ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn tính tốn kết cấu: Nhà xuất Đại học Quốc gia Tp HCM, 2011 [85] M G M and G Ostergaard, "Electro-mechanical trasducer for MEMS analysis in ansys," in Modeling and Simulation of Mycrosystems (MSM)’99, 1999, pp 270 – 273 [86] ANSYS Mechanical APDL Theory Reference: ANSYS Inc, 2013 [87] D Garcia-Sanchez, A S Paulo, M J Esplandiu, F Perez-Murano, L Forro´, A Aguasca, et al., "Mechanical Detection of Carbon Nanotube Resonator Vibrations," Phys Rev Lett., vol 99, p 085501, 2007 [88] P Chen, B Peng, L Ding, W H Xu, and Y Q Wang, "Simulation of singly and doubly clamped nanotube based NEMS Devices," in Proceedings of the ASME 2009 International Design Engineering Technical Conferences & Computers and Information in Engineering Conference, San Diego, California, USA, 2009 74 PHỤ LỤC Code phân tích hệ NEMS FINISH /CLEAR,NOSTART /prep7 /title, SWCNT, shell model, fixed ends /view, 1,1,1,1 /ang,1 vltg = vend = 100 vstep= loop=101 ! initial bias ! ending bias *dim,displ,array,loop *dim,volta,array,loop volta(1)=vltg ! Parameters r=10e-3 Lcnt=1000e-3 gap=10*r mloc=Lcnt/2 elsize=r/2 per0=8.854e-6 ! Mechanical properties E=5.5e6 t=0.066e-3 nu=0.19 rho=(2*r*7.4e-7)/(r*r-(r-t)*(r-t))*e-9 ! element type et,1,shell181 KEYOPT,1,1,0 KEYOPT,1,3,0 KEYOPT,1,8,0 KEYOPT,1,9,0 et,2,126,,2,,1 ! Transducer element (trans126), UY-VOLT dof, 75 ! material properties mp, ex,1,E mp,nuxy,1,nu mp,dens,1,rho sect,1,shell,, secdata,t,1,0,5 ! keypoints k,1, r, 0,0 k,2, 0, r,0 k,3,-r, 0,0 k,4, 0,-r,0 k,10,0,0,0 k,11,0,0,mloc k,12,0,0,Lcnt ! arcs larc,1,2,10,r larc,2,3,10,r larc,3,4,10,r larc,4,1,10,r lstr,10,11 lstr,11,12 adrag,1,2,3,4,,,5,6 ! meshing !shell elements lsel,s,line,,1 lsel,a,line,,2 lsel,a,line,,3 lsel,a,line,,4 lsel,a,line,,15 lsel,a,line,,18 lsel,a,line,,20 lsel,a,line,,22 lesize,all,elsize, , , , , , ,1 ! Circumferential direction lsel,all lsel,s,line,,8 76 lsel,a,line,,16 lesize,all,3*elsize, , , , , , ,1 ! Longditudinal direction lsel,all mshape,0,2D mshkey,1 amesh,all ! quadrilateral-shaped ! use mapped meshing ! BCs lsel,s,loc,z,0 lsel,a,loc,z,Lcnt dl,all, ,all, lsel,all nsel,s,loc,z,0,Lcnt cm,bnode,node alls ! -Coupling -nsel,s,loc,y,-r,-0.95*r nsel,u,loc,z,0 nsel,u,loc,z,Lcnt cm,drive,node emtgen,'drive',,,'uy',-gap,0,1,per0 nsel,s,loc,y,-r,-0.95*r nsel,u,loc,z,0 nsel,u,loc,z,Lcnt d,all,volt,-vltg allsel nsel,s,loc,y,-gap-r,-gap cm,gnd,node d,all,volt,0 d,all,ux,0 d,all,uy,0 d,all,uz,0 allsel cmsel,s,gnd nmodif,all,,-gap-r,,,, nsel,all 77 allsel,all finish ! -Static Analysis FINISH /SOL ANTYPE,0 NLGEOM,on PSTRES,1 NSUBST,5,1000,1 AUTOTS,1 cnvtol,U,,0.001 kk=1 *do,_ii,1,loop cmsel,s,drive d,all,volt,vltg volta(_ii)=vltg vltg=vltg+kk*vstep alls solve *enddo fini ! Modal Analysis -/SOL ANTYPE,2 MODOPT,UNSYM,50 MXPAND,0, , ,0 LUMPM,0 PSTRES,1 MODOPT,UNSYM,50,0,1000000, ,OFF UPCOORD,1,ON SOLVE FINISH /POST1 SET,LIST,999 SET,,, ,,, ,1 PLDISP,0 ! - Harmonic Analysis -finit 78 /solu antype,harmic hropt,full pstres,on harfrq,0,2000 nsubs,500 outres,all,all ! harmonics analysis ! solution method: full harmonics analysis ! Frequency range (MHz) ! number of substeps ! save all substeps solve finish /post26 nsol,2,mnode,u,y plcplx,0 ! Enters the time-history results postprocessor ! specifies nodal data to be stored from the results file, ! amplitude (Specifies the part of a complex variable ! to display) /axlab,x,Freq (MHz) ! label the x axis on graph display /axlab,y,Amplitude /gropt,logy,on !define log scale for y-axis /xrange,0,2000 ! Specifies a linear abscissa (x) scale range /gropt,divx,10 /gthk,axis,1.5 /grop,ltype,0 plvar,2 prvar,2 finish 79 S K L 0 ... nanogam 1.6 Kết cấu luận văn Đề tài “Mơ hình hóa thiết kế hệ NEMS theo hướng tiếp cận phân tích đa trường? ?? gồm có chương phần phụ lục 13  Chương 1: Tổng quan  Chương 2: Cấu trúc hình học đặc... gian thực luận văn: “Mơ hình hóa thiết kế hệ NEMS theo hướng tiếp cận phân tích đa trường? ?? tơi hoàn thành Ngoài nỗ lực cố gắng thân, tơi cịn nhận giúp đỡ tận tình q thầy bạn bè trường Đại học... Chương 3: Mơ hình hóa hệ NEMS sử dụng phân tích đa trường  Chương 4: Thiết kế hệ NEMS với hỗ trợ phần mềm ANSYS  Chương 5: Kết nghiên cứu  Chương 6: Kết luận 14 CẤU TRÚC HÌNH HỌC VÀ ĐẶC TÍNH