phỏng dao động tự do của tấm graphene

ĐỒ ÁN TỐT NGIỆP 2013 GVHD:LÊ MINH QUÝ MỤC LỤC MỤC LỤC………………………………………………………………….1 LỜI CẢM ƠN………………………………………………………………3 LỜI NÓI ĐẦU………………………………………………………………4 Chương 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ GRAPHENE……………………….9 1.1.1 Khái niệm Graphene…………………………………………13 1.2 Lịch sử đời Graphene……………………………………… 13 1.3 Tính chất Graphene……………………………………… 16 1.3.1 Graphene vật liệu mỏng tất vật liệu16 1.3.2 Graphene có tính dẫn điện nhiệt tốt……………… 17 1.3.3 Độ bền Graphene………………………………… 17 1.3.4 Graphene cứng kim cương…………………… 18 1.3.5 Graphene hoàn toàn không không khí lọt qua…19 1.3.6 Graphene dễ chế tạo dễ thay đổi hình dạng……… 19 1.4 Phân loại Graphene…………………………………………….20 1.4.1 Graphene đơn………………………………………… 20 1.4.2 Graphene kép………………………………………… 21 1.4.2.1 Cấu tạo……………………………………………….23 1.4.2.2 Tính chất đặc biệt- độ rộng vùng cấm thay đổi…… 24 1.4.3 Graphene mọc ghép đa lớp (MEG)……………………25 1.5 Ứng Dụng Graphene………………………………………….26 1.5.1 Dây dẫn điện cực suốt……………………… 26 1.5.2 FET Graphene………………………………………….28 1.5.3 Chíp Máy Tính…………………………………………29 1.5.4 Màn hình ti vi cảm hứng……………………………… 30 SV: NGÔ VĂN ĐOÀN Lớp: CƠ ĐIỆN TỬ 4-K53 ĐỒ ÁN TỐT NGIỆP 2013 GVHD:LÊ MINH QUÝ 1.5.5 Chất phụ gia dich khoang………………………31 1.5.6 Làm đế cho mẫu nghiên cứu kinh hiển vi điện tử truyền qua ( TEM) …………………………………………………32 CHƯƠNG MÔ HÌNH PHẦN TỬ HỮU HẠN…………………………35 2.1 Mô hình phần tử hữu hạn cho Graphene………………….35 2.2 Mô đun đàn hồi phần tử dầm………………………………36 2.2.1 Hàm năng………………………………………….36 2.2.2 Quan hệ thong số mặt cắt ngang lực…38 CHƯƠNG KẾT QUẢ TÍNH TOÁN……………………………………43 3.1 Trường hợp vuông Graphene lỗ…………………51 3.1.1 Mô hình dang dao động Graphene 20x20 nm 3.1.2 Đồ thị…………………………………………………54 3.2 Trường hợp vuông Graphene có lỗ tròn…………………….56 3.2.1 Mô hình dang dao động Graphene 20x20nm có lỗ tròn với đường kính :1nm ;2nm ; 3nm ; …………….56 3.2.2 Đồ thị………………………………………………… 61 CHƯƠNG KẾT LUẬN………………………………………………… 62 TÀI LIỆU THAM KHẢO………………………………………………….63 SV: NGÔ VĂN ĐOÀN Lớp: CƠ ĐIỆN TỬ 4-K53 ĐỒ ÁN TỐT NGIỆP 2013 GVHD:LÊ MINH QUÝ LỜI CẢM ƠN Để đồ án hoàn thành yêu cầu nội dung thời gian thực hiên, cố gắng ,nỗ lực tha môi trường làm việc nghiêm túc với đạo tận tình thầy ,cô giáo môn CƠ HỌC VATAL LIỆU & KẾT CẤU-VIỆN CƠ KHÍ- TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI có động viên to lớn cha mẹ.anh chị em bạn bè giúp đỡ em hoàn thành tốt đồ án Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy ,các cô môn Cơ Học Vật Liệu & Kết Cấu Đặc biệt thầy :PGS.TS LÊ MINH QUÝ thầy NGUYỄN DANH TRƯỜNG tận tình bảo hướng dẫn em suốt trình thực làm đồ án Với đề tài mẻ nên chắn đồ án tránh khỏi sai sót ,kính mong đước dẫn thầy cô Em xin chân thành cảm ơn! Giáo viên hướng dẫn Ký tên Hà Nội ,ngày tháng 12 năm 2013 Sinh viên NGÔ VĂN ĐOÀN SV: NGÔ VĂN ĐOÀN Lớp: CƠ ĐIỆN TỬ 4-K53 ĐỒ ÁN TỐT NGIỆP 2013 GVHD:LÊ MINH QUÝ LỜI NÓI ĐẦU Nền khoa học công nghệ giới phát triển cách nhanh chóng nước phát triển Hoa Kỳ, Nhật Bản, Nga Sự phát triển khoa học công nghệ đem lại diện mạo cho sống người công nghệ điện tử viễn thông Hiện giới hình thành khoa học công nghệ mới, có nhiều triển vọng dự đoán có tác động mạnh mẽ đến tất lĩnh vực khoa học, công nghệ, kỹ thuật đời sống kinh tế- xã hội kỷ 21 Đó khoa học công nghệ nano Hiện nay, công nghệ điện tử truyền thống tiến đến giới hạn cuối kích thước thang vi mô, khoa học công nghệ nano đời mở hướng nghiên cứu cho ngành điện tử với linh kiện với kích thước nano Theo dõi phát triển khoa học công nghệ, vào cuối năm, tạp chí ScienceMag (Mỹ) điểm lại kiện khoa học giới năm chọn 10 kiện bật nhất, đặc biệt chọn kiện lớn gọi Bước đột phá năm Theo tạp chí bước đột phá khoa học năm 2009 việc nhà khoa học quốc tế phát xương có niên đại 4,4 triệu năm Ethiopia, kiện lại thuộc lĩnh vực: Vật lý, khám phá vũ trụ, y học, liệu pháp gen vật liệu graphene Tâm điểm lĩnh vực công nghệ vật liệu thập kỷ 2000 - 2009 xoay quanh nghiên cứu hai trạng thái cacbon, là, ống nano cacbon graphene Kể từ phát Hình 1: Màng Graphene nghiên cứu vào đầu năm 90 kỷ trước, nhà khoa học nhận định rằng, mà ống nano cacbon làm Sự đóng góp ống nano cacbon ngành công nghiệp mũi nhọn phong phú, từ điện tử, động siêu SV: NGÔ VĂN ĐOÀN Lớp: CƠ ĐIỆN TỬ 4-K53 ĐỒ ÁN TỐT NGIỆP 2013 GVHD:LÊ MINH QUÝ nhỏ, tới nhớ, pin lĩnh vực vũ trụ Nhưng nghiên cứu graphene công bố hồi đầu năm 2009, khẳng định loại vật liệu nhanh chóng thu hút quan tâm nhà khoa học, với độ cứng kim cương, loại vật liệu mỏng tất loại vật liệu mà tạo Ngoài ra, tính dẫn điện graphene lý tưởng Do đó, nhà khoa học hi vọng đến năm 2020, Graphene thay chất bán dẫn silicon Hiện nay, vật liệu graphene mở hi vọng cho ngành điện tử Nếu sản xuất cải thiện, graphene cách mạng hóa ngành công nghệ Hình 2: Cấu trúc 2D graphene lượng Hiện nay, lượng mặt trời gió, gặp khó khăn phương pháp tồn trữ chưa thích nghi Nhiều nhà khảo cứu nghĩ siêu tụ điện graphene giải pháp Từ năm 2004, nhà nghiên cứu Anh tìm cách đơn giản để bóc lớp phân tử dày đơn nguyên tử nguyên tử cacbon khỏi khoanh graphite băng keo Từ tới họ cố gắng nghiên cứu dạng màng mỏng Năm 2009, họ có bước tiến mới, với hàng loạt khám phá, cách thức hiểu biết tảng để tạo mảng graphene rộng biến chúng thành thiết bị Ở Việt Nam nhắc đến công nghệ nano, vật liệu nano không lạ mà vấn đề nghiên cứu nhiều Liên tiếp thời gian qua, ngành Khoa học công nghệ Việt Nam đón nhận tin vui Tại Hà Nội, nhóm nghiên cứu trẻ thuộc Viện khoa học công nghệ vật liệu SV: NGÔ VĂN ĐOÀN Lớp: CƠ ĐIỆN TỬ 4-K53 ĐỒ ÁN TỐT NGIỆP 2013 GVHD:LÊ MINH QUÝ thành công cho đời sản phẩm vật liệu ống nano cacbon đa tường Còn Thành Phố Hồ Chí Minh, nhóm nghiên cứu thuộc Khu Công nghệ cao chế tạo thành công vật liệu ống nano cacbon Lĩnh vực ống nano cacbon nước ta có thành công riêng chất Graphene lĩnh vực nước ta số nhà khoa học nghiên cứu Do khó khăn nghiên cứu thực nghiêm,mô số coi công cụ đắc lực mô hình hóa xác định đặc trưng học Graphene composite từ Với đề tài: “ Mô dao động tự Graphene” Đồ án sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn phần mềm MARC để mô hình hóa xác định tần số dao động Graphene SV: NGÔ VĂN ĐOÀN Lớp: CƠ ĐIỆN TỬ 4-K53 ĐỒ ÁN TỐT NGIỆP 2013 GVHD:LÊ MINH QUÝ NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… SV: NGÔ VĂN ĐOÀN Lớp: CƠ ĐIỆN TỬ 4-K53 ĐỒ ÁN TỐT NGIỆP 2013 GVHD:LÊ MINH QUÝ NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… SV: NGÔ VĂN ĐOÀN Lớp: CƠ ĐIỆN TỬ 4-K53 ĐỒ ÁN TỐT NGIỆP 2013 GVHD:LÊ MINH QUÝ …………………………………………………………………………… SV: NGÔ VĂN ĐOÀN Lớp: CƠ ĐIỆN TỬ 4-K53 ĐỒ ÁN TỐT NGIỆP 2013 GVHD:LÊ MINH QUÝ KÍ HIỆU SỬ DỤNG TRONG ĐỒ ÁN Kí hiệu Ý nghĩa E Mô đun đàn hồi Ed Mô đun đàn hồi phần tử dầm Gd Mô đun trượt phần tử dầm L Chiều dài phần tử dầm D Đường kính phần tử dầm A0 Diện tích mặt cắt ngang phần tử dầm L0 Chiều dài ban đầu Graphene Jx Mô men quán tính mặt cắt ngang dầm theo trục x Jy Mô men quán tính mặt cắt ngang dầm theo trục y J Mô men quán tính độc cực mặt cắt ngang dầm J0 Mô men quán tính độc cực mặt cắt ngang ống na nô bon kr Hệ số dãn dài hàm kθ Hệ số uốn hàm kτ Hệ số chống xoắn hàm Mx Mô men uốn Mz Mô men xoắn Nz Lực dọc trục F Lực kéo tác dụng lên Graphene Ptl Giá trị lớn lực kéo giai đoạn đàn hồi mẫu thử A Diện tích mặt cắt ngang Graphene U Chuyển vị Ur Năng lượng liên kết kéo hàm 10 SV: NGÔ VĂN ĐOÀN Lớp: CƠ ĐIỆN TỬ 4-K53 ĐỒ ÁN TỐT NGIỆP 2013 GVHD:LÊ MINH QUÝ - Mô hình tần số dao động tự Graphene x6 nm F = 94 GHZ 50 SV: NGÔ VĂN ĐOÀN Lớp: CƠ ĐIỆN TỬ 4-K53 ĐỒ ÁN TỐT NGIỆP 2013 GVHD:LÊ MINH QUÝ • Đồ thị - Đồ thị theo báo Physica E 47 - Đồ thị theo kết kết thu Hình 3.1 + Từ đồ thị ta thấy kết từ báo Physiaca E 47 kết thực nghiệm tương đương 3.Trường hợp Graphene vuông lỗ 3.1.1 Mô hình dạng dao động Graphene 20x20 nm -Mô hình Graphene kích thước 20x20 nm 51 SV: NGÔ VĂN ĐOÀN Lớp: CƠ ĐIỆN TỬ 4-K53 ĐỒ ÁN TỐT NGIỆP 2013 GVHD:LÊ MINH QUÝ Hình 3.3Mô hình Tấm Graphene + Mô hình tần số dao động thứ 52 SV: NGÔ VĂN ĐOÀN Lớp: CƠ ĐIỆN TỬ 4-K53 ĐỒ ÁN TỐT NGIỆP 2013 GVHD:LÊ MINH QUÝ F1= 9,232 GHZ 53 SV: NGÔ VĂN ĐOÀN Lớp: CƠ ĐIỆN TỬ 4-K53 ĐỒ ÁN TỐT NGIỆP 2013 GVHD:LÊ MINH QUÝ +Mô hình tần số dao động thứ F2= 17,41 GHZ 54 SV: NGÔ VĂN ĐOÀN Lớp: CƠ ĐIỆN TỬ 4-K53 ĐỒ ÁN TỐT NGIỆP 2013 GVHD:LÊ MINH QUÝ 3.1.2 Đồ thị *Khảo sát tần số dao động graphen thay đổi kích thước graphen Từ số liệu tính toán ta có đồ thị sau: Sự thay đổi tần số theo mode graphene (20x20nm) Hình 3.3 Sự thay đổi tần số theo chiều dài graphene 55 SV: NGÔ VĂN ĐOÀN Lớp: CƠ ĐIỆN TỬ 4-K53 ĐỒ ÁN TỐT NGIỆP 2013 GVHD:LÊ MINH QUÝ 3.2 Trường hợp vuông graphene có lỗ tròn Khảo sát tần số dao động vuông graphene vuông kích thước 20x20nm lỗ tròn có đường kính thay đổi ( Φ1nm; Φ2nm; Φ3nm; ) Mô hình graphen có kích thước lỗ tròn : Φ1nm Hình 3.4 Mô hình graphen có lỗ 56 SV: NGÔ VĂN ĐOÀN Lớp: CƠ ĐIỆN TỬ 4-K53 ĐỒ ÁN TỐT NGIỆP 2013 GVHD:LÊ MINH QUÝ 3.2.1 Mô hình dạng dao động graphene 20x20nm có lỗ tròn Φ1nm +Mô hình tần số dao đông thứ F1= 9,232 GHZ 57 SV: NGÔ VĂN ĐOÀN Lớp: CƠ ĐIỆN TỬ 4-K53 ĐỒ ÁN TỐT NGIỆP 2013 GVHD:LÊ MINH QUÝ +Mô hình tần số dao động thứ F2=17,41 GHZ 58 SV: NGÔ VĂN ĐOÀN Lớp: CƠ ĐIỆN TỬ 4-K53 ĐỒ ÁN TỐT NGIỆP 2013 GVHD:LÊ MINH QUÝ 3.2.2 Mô hình dạng dao động graphene 20x20nm có lỗ tròn Φ2nm + Mô hình tần số dao động thứ nhất: F1= 9,247 GHZ +Mô hình tần số dao động thứ F2=17,39 GHZ 59 SV: NGÔ VĂN ĐOÀN Lớp: CƠ ĐIỆN TỬ 4-K53 ĐỒ ÁN TỐT NGIỆP 2013 GVHD:LÊ MINH QUÝ 3.2.3 Mô hình dạng dao động graphene 20x20nm có lỗ tròn Φ3nm +Mô hình tần số dao động thứ F1=9,275 GHZ +Mô hình tần số dao động thứ F2= 17,30GHZ 60 SV: NGÔ VĂN ĐOÀN Lớp: CƠ ĐIỆN TỬ 4-K53 ĐỒ ÁN TỐT NGIỆP 2013 GVHD:LÊ MINH QUÝ 3.2.4 Đồ thị Dựa vào kết tính toán từ phần mềm, ta thu đồ thị sau: Hình 3.5 Sự thay đổi tần số Graphene 20x20 nm thay đổi đường kính lỗ tròn 61 SV: NGÔ VĂN ĐOÀN Lớp: CƠ ĐIỆN TỬ 4-K53 ĐỒ ÁN TỐT NGIỆP 2013 GVHD:LÊ MINH QUÝ CHƯƠNG KẾT LUẬN Trong đồ án tốt nghiệp, đặc tính dao động graphen nghiên cứu dựa mô hình phần tử hữu hạn khối lượng đàn hồi Sự tương tác nguyên tử mô phần tử dao động đàn hồi tuyến tính dạng quay Hơn thông qua mô hình nguyên tử, nguyên tử carbon mạng graphene mô thông qua khối lượng tập trung tương đương Qua ta thấy tần số graphene giảm dần ta tăng kích thước Hơn ta thấy với kích thước tần số dao động graphen có lỗ nhỏ lỗ tương đương Ngoài kích thước lỗ tròn graphene thay đổi không nhiều tần số dao động thay đổi không đáng kể Để làm đồ án hoàn thiện em phải dịch báo để thu thập kiến thức cần thiết , học môn Phương Pháp Phần Tử Hữu Hạn , học phần mềm MARC/MSC 62 SV: NGÔ VĂN ĐOÀN Lớp: CƠ ĐIỆN TỬ 4-K53 ĐỒ ÁN TỐT NGIỆP 2013 GVHD:LÊ MINH QUÝ TÀI LIỆU THAM KHẢO Trần Ích Thịnh – Ngô Như Khoa Phương pháp phần tử hữu hạn –2007 E.Mahmoudinezhad, R Ansari - Physica E 47 (2013) 12-16: Vibration analysis of circular and square single-layered graphene sheets: An accurate spring mass model M Mir, A Hosseini, G.H Majzoobi - Computational Materials Science 43 (2008) 540-548: A numerical study of vibrational properties of single-walled carbon nanotubes K.I Tserpes , P Papanikos - Composites: Part B 36 (2005) 468-477: Finite element modeling of single-walled carbon nanotubes K Hashemnia, M Farid, R Vatankhah - Computational Materials Science: Vibrational analysis of carbon nanotubes and graphene sheets using molecular structural mechanics approach J.H Lee, B.S Lee - Computational Materials Science 51 (2012) 30-42: Modal analysis of carbon nanotubes and nanocones using FEM A Sakhaee-Pour, M.T Ahmadian, A Vafai - Thin-walled Structures 47 (2009) 646-652: Vibrational analysis of single-walled carbon nanotubes using beam element Trương Văn Tân, Vật liệu tiên tiến, Nhà xuất trẻ (2008) Nguyễn Xuân Chánh- Lê Băng Sương, Vật lý với khoa học công nghệ đại, Nhà xuất giáo dục 10 Trên mạng internet 63 SV: NGÔ VĂN ĐOÀN Lớp: CƠ ĐIỆN TỬ 4-K53 ĐỒ ÁN TỐT NGIỆP 2013 GVHD:LÊ MINH QUÝ 64 SV: NGÔ VĂN ĐOÀN Lớp: CƠ ĐIỆN TỬ 4-K53