Mô phỏng ứng xử cơ học của ống nano phốt pho đen bằng phương pháp phần tử hữu hạn nguyên tử tom tat

1 MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Hiện nay, cơng nghệ nano có nhiều ứng dụng quan trọng lĩnh vực khác y học, điện tử, quang điện tử, cảm biến, pin Li-ion, vật liệu composite, may mặc nông nghiệp… Để sử dụng vật liệu nano tìm vào ứng dụng thực tế cần có hiểu biết sâu sắc tường tận tính Các đặc trưng học vật liệu nano bon nano graphene, BN, SiC, Si, AlN nghiên cứu rõ ràng Năm 2014, vật liệu nano phốt đen tổng hợp Phốt đen chất bán dẫn có độ rộng vùng cấm lớn có nhiều ứng dụng tiềm lĩnh vực nano điện tử, quang điện tử, cảm biến làm vật liệu anốt pin Li-ion Do đó, ứng xử học vật liệu nano phốt đen vấn đề thời Cơ tính phốt nghiên cứu rõ Tuy nhiên, tính ống phốt chưa nghiên cứu kỹ lưỡng Vì vậy, nghiên cứu sinh chọn hướng nghiên cứu tính tốn mô để xác định đặc trưng học ống nano phốt đen cho luận án Tên đề tài là: “Mơ ứng xử học ống nano phốt đen phương pháp phần tử hữu hạn nguyên tử ” Mục đích, đối tượng phạm vi nghiên cứu Thông qua thí nghiệm mơ kéo nén ống nano phốt đen để tìm đặc trưng học mô đun đàn hồi, ứng suất phá hủy, biến dạng phá hủy, hệ số Poisson đường cong ứng suấtbiến dạng Ảnh hưởng đường kính chiều dài đến tính ống nano phốt đen nghiên cứu bàn luận Phương pháp nghiên cứu Phương pháp phần tử hữu hạn nguyên tử (AFEM) Nghiên cứu sinh ứng dụng phương pháp mở rộng để tính tốn, mơ cho ống nano phốt đen với hàm Stillinger-Weber Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Do vật liệu nano phốt đen tìm nên việc nghiên cứu thực nghiệm khó khăn Vì vậy, việc mơ thí nghiệm kéo nén vật liệu nano phốt đen để tìm đặc trưng học cần thiết, có tính thời sự, có ý nghĩa khoa học thực tiễn rõ ràng Điểm luận án: Điểm luận án xác định ứng xử học ống nano phốt đen phương pháp phần tử hữu hạn nguyên tử với hàm Stillinger-Weber Bố cục luận án: Nội dung luận án trình bày gồm chương sau: Chương Tổng quan Nghiên cứu sinh giới thiệu vật liệu hai chiều bao gồm vật liệu nano phốt đen Phân tích cơng trình cơng bố trước liên quan đến đề tài luận án Chương Cơ sở phương pháp phần tử hữu hạn nguyên tử áp dụng để tính tốn ống nano phốt đen Trong chương này, nghiên cứu sinh trình bày sở khoa học luận án cấu trúc ống vật liệu nano phốt đen, tương tác nguyên tử phương pháp phần tử hữu hạn nguyên tử Chương Kết kéo ống nano phốt đen Các đặc trưng học vật liệu nano phốt đen xác định thí nghiệm mơ kéo ống nano phốt đen Chương Kết nén ống nano phốt đen Các đặc trưng học vật liệu nano phốt đen xác định thí nghiệm mô nén ống nano phốt đen Ảnh hưởng đường kính chiều dài đến đặc trưng của ống vật nano phốt đen đưa thảo luận Bên cạnh đó, so sánh đặc trưng học ống phốt đen kéo nén đưa Ở phần cuối, nghiên cứu sinh đưa kết luận luận án kiến nghị hướng phát triển Chương TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu vật liệu hai chiều (2D) phốt đen Các vật liệu hai chiều (2D) điển hình gồm graphene, BN, SiC, Si vật liệu 2D khác Các nghiên cứu nhóm vật liệu 2D có thuộc tính khác hồn tồn so với vật liệu dạng khối (dạng cục) Graphene thành viên bật gia đình vật liệu chiều Với cấu trúc điện tử độc đáo, đặc biệt khả dẫn điện độ bền, graphene coi vật liệu kỳ diệu Tuy nhiên, điểm hạn chế graphene độ rộng vùng cấm gần khơng tức graphene có tính chất kim loại (là chất bán kim loại), tính ứng dụng bị hạn chế lĩnh vực điện tử Tấm lục giác BN tìm có độ bền, độ dẫn nhiệt cao, động rộng vùng cấm lớn, ổn định nhiệt hóa học Năm 2014, phốt đen lớp vật liệu tác từ thỏi phốt đen gia nhập nhóm lớp vật liệu hai chiều chiều (hình 1.6) Phốt đen lớp có độ rộng vùng cấm lớn có tính dị hướng đáng kể thuộc tính quang-điện tử thuộc tính cơnhiệt, khác biệt so với vật liệu 2D khác Một điểm bật phốt đen có độ rộng vùng cấm lớn thay đổi tối ưu độ rộng vùng cấm việc thay đổi số lớp, biến dạng khuyết tật kỹ thuật Hình 1.6 Hình ảnh phố đen nhiều lớp 1.2 Các phương pháp tính Phương pháp lý thuyết phiếm hàm mật độ Phương pháp mơ tính toán dựa lý thuyết phiếm hàm mật độ (DFT) chất việc giải gần phương trình Schrӧdinger Nhược điểm phương pháp khơng tính với hệ có nhiều nguyên tử Phương pháp động lực phân tử Mô động lực phân tử (MD) có mục tiêu giải phương trình đặc trưng động lực lượng hạt dựa định luật Newton: mi ri   U  r1 , r2 , rN  ri  Fi , i  1, 2, N (1.2) MD cho kết có độ xác cao, mơ với hệ có nhiều ngun tử xét đến ảnh hưởng nhiệt độ Tuy nhiên, thời gian tính tốn lâu phức tạp Phương pháp phần tử hữu hạn nguyên tử Trong AFEM, nguyên tử chuyển vị nguyên tử coi nút chuyển vị nút Ma trận độ cứng phần tử lắp ráp dựa hàm tương tác nguyên tử Giống phương pháp phần tử hữu hạn (FEM), ma trận độ cứng tổng thể có cách lắp rắp ma trận độ cứng phần tử Do đó, mối quan hệ chuyển vị lực có cách giải hệ phương trình tuyến tính Thủ tục phương pháp có số điểm giống FEM nên gọi AFEM So với phương pháp mô MD kết AFEM có độ xác cao, sai số bỏ qua so với MD tính 0K 1.3 Tình hình nghiên cứu giới ống nano 1.3.1 Graphene vật liệu tương tự graphene Cơ tính graphene, BN, SiC Si xác định đầy đủ phương pháp DFT, MD, AFEM, ab initio thực nghiệm (xem bảng 1.1, 1.2, 1.3 1.4) Bảng 1.1 Đặc trưng học graphene tính phương pháp khác Tài liệu Mô đun đàn hồi Ứng suất Biến dạng vị tham khảo chiều Yt , N/m trí đạt ứng suất chiều t, N/m lớn , % MD Le 358 (zigzag) 43,0 (zigzag) 24 (zigzag) 350 (armchair) 37,9 (armchair) 19,3 (armchair) DFT Xu cộng 350 40,0 (zigzag) 24 (zigzag) 36,4 (armchair) 19 (armchair) Thí nghiệm Lee cộng DFT Lui cộng 34050 424 25 351 40,4 (zigzag) 26,6 (zigzag) 36,7 (armchair) 19,4 (armchair) MD Lindsay cộng 373 (zigzag) 41,1 (zigzag) 19,6 (zigzag) 350 (armchair) 28,5 (armchair) 11,4 (armchair) Bảng 1.2 Cơ tính BN tính phương pháp khác Tài liệu tham khảo Mô đun đàn hồi chiều Yt, N/m Ứng suất chiều t, N/m AFEM Sevik cộng 258 (zigzag) 37,7 (zigzag) Biến dạng vị trí đạt ứng suất lớn , % 25,7 (zigzag) 251 (armchair) 263,4 (zigzag) 253,3 (armchair) 271 35,5 (armchair) 36,1 (zigzag) 26,4 (armchair) 22,7 (zigzag) 29,7 (armchair) 17,7 (armchair) MD Le DFT Kudin cộng Inelastic x-ray scattering Bosak cộng DFT Sahin cộng DFT by Topsakal cộng MD Zhang cộng DFT Peng cộng DFT Andrew cộng Thực nghiệm Suryavanshi cộng 260 267 258 (armchair nanoribbon) 267 278 275,8 245 Bảng 1.3 Cơ tính SiC tính phương pháp khác Tài liệu tham khảo Mô đun đàn hồi chiều Yt, N/m Ứng suất chiều t, N/m MDFEM Sevik cộng 174 (zigzag) 20,7 (zigzag) 17,9 (armchair) 20,5 (zigzag) 17,6 (armchair) MD Le DFT Sahin cộng DFT Andrew cộng 171 (armchair) 179,6 (zigzag) 173,4 (armchair) 166 163,5 Biến dạng vị trí đạt ứng suất lớn , % 24,8 (zigzag) 18,5 (armchair) 22,8 (zigzag) 17,4 (armchair) Bảng 1.4 Cơ tính Si tính phương pháp khác Tài liệu tham khảo Mô đun đàn hồi chiều Yt, N/m DFT Sahin cộng DFT by Topsakal cộng DFT Zhao cộng Ab initio Jing cộng 62 Ứng suất chiều t, N/m Biến dạng vị trí đạt ứng suất lớn , % 51 60,6 (zigzag) 63,51 (armchair) 62,4 (zigzag) 59,1 (armchair) 19,5 (zigzag) 15,5 (armchair) 1.3.2 Tấm phốt đen Cơ tính phốt đen nghiên rõ ràng phương pháp DFT, phương pháp MD AFEM (xem bảng 1.5) Bảng 1.5 Cơ tính phốt nano phương pháp khác Tài liệu tham khảo AFEM Nguyen 2017 cộng MD Sha 2015 cộng MD Jiang 2015 cộng MD 2016 cộng DFT Jiang 2014 cộng DFT Wei 2014 cộng Mô đun đàn hồi chiều Yt (N/m) Ứng suất lớn t, N/m Biến dạng vị trí đạt ứng suất lớn , % zigzag armchair zigzag armchair zigzag armchair 58,3 12,5 4,08 2,09 16,3% 27,9% 54,0 12,6 4,61 2,57 16,0% 27,5% 55,3 17,6 13,0% 23,5% 55,5 13,6 56,3 21,9 11,0% 48,0% 92,1 24,4 27,0% 30,0% 9,99 4,44 1.3.3 Ống phốt đen Cơ tính ống phốt đen tính số phương pháp khác MD, DFT, DFT-TB DFT-FEM (xem bảng 1.6) Mô đun đàn hồi ống armchair nano phốt đen tính mô MD với hàm compass Chen (~40.6 N/m) nghiên cứu DFT-TB (