بخشی از مقاله
چکیده
هدف از این پژوهش بررسی تأثیر تهیجای شبکه بر ویژگیهای گرمایی ماده میباشد. در این پژوهش با استفاده از روش شبیهسازی دینامیک مولکولی به بررسی انرژی بستگی، دمای ذوب و پایداری حرارتی نانولولهی سیلیسیم-ژرمانیم - که شامل 90 درصد اتم سیلیسیم و 10 درصد اتم ژرمانیم میباشد - در حضور درصدهای مختلفی از نقص نقطهای، با استفاده از پتانسیل بین اتمی ترسف در هنگرد NPT میپردازیم. نتایج حاکی از این است که وجود نقص در نانولولهی سیلیسیم-ژرمانیم سبب کاهش پایداری آن و در نتیجه کاهش دمای ذوب نسبت به حالت ایدهآل میشود. هرچه درصد نقص نقطهای بیشتر شود، نانولولهی سیلیسیم-ژرمانیم ناپایدارتر میگردد.
مقدمه
سیلیسیم دارای الکترون بیشتری در پوسته بیرونی خود نسبت به کربن است و همین عامل باعث می شود که نانولولههای سیلیسیمی در مقایسه با نانولولههای کربنی هیدروژن بیشتری را جذب کنند بنابراین نانولولههای سیلیسیمی برای ذخیره انرژی نسبت به نانولولههای کربنی مناسبتر هستند. بعد از نانولولهی کربنی، نانولولهی سیلیسیمی با ساختار شش ضلعی بدلیل ظرفیت بالایی که در مقایسه با گرافیت دارد، بیشتر مورد توجه قرار گرفته است.[1] با جایگذاری اتمهای سیلیسیم در ساختار نانولولهی کربنی بجای اتمهای کربن، نانولولهی سیلیسیمی بدست میآید.[2]
نانولولهی سیلیسیمی دارای ساختار و خواص الکترونی منحصر به فردی است، پایداری حرارتی و شیمیایی بالا و رسانش گرمایی خوب از جملهی این ویژگیها است.[3] نانولولهی سیلیسیمی با توجه به بردار کایرال میتواند خاصیت فلزی یا نیمه هادی داشته باشد.[4] از طرفی ژرمانیم در همان ستون از جدول تناوبی که شامل سیلیسیم است، قرار دارد. بنابراین گزینهی خوبی برای استفاده در نانو الکترونیک به شمار میرود.[3] با اضافه کردن یک لایه از ژرمانیم به نانولولهی سیلیسیمی هدایت الکتریکی آن افزایش مییابد.[1] نانولولهی سیلیسیم-ژرمانیم از رول کردن ورقهی شبهگرافن از اتمهای سیلیسیم و ژرمانیم که در گروههای مختلفی از شبکه لانه زنبوری قرار دارند تشکیل شده است.[5] نانولوله سیلیسیم-ژرمانیم دارای گاف انرژی کم و تحرک پذیری بالایی است[3]، و می تواند به گونه ای بهینه سازی شود که عملکرد حرارتی بسیار خوبی داشته باشد. این نانولوله به دلیل هیبریداسیون sp3 دارای هندسه چرخدنده مانند است و در دو نوع آرمیچر و زیگزاگ نیمه هادی می باشد.[6] برای نانولولههای سیلیسیم-ژرمانیم که نسبت اتمهای سیلیسیم به ژرمانیم مساوی است، چهار نوع نانولولهی گزارش شده است. در نوع یک اتم های سیلیسیم و ژرمانیم بطور متناوب قرار گرفته اند، بطوری که نزدیکترین همسایه های یک اتم سیلیسیم، اتمهای ژرمانیم می باشند و بلعکس. در نوع دو و سه هر اتم سیلیسیم به دو اتم ژرمانیم و یک اتم سیلیسیم دیگر متصل است. در نوع دو، هر حلقه عمود بر محور نانو لوله، تنها شامل اتمهای سیلیسیم یا ژرمانیم است. در حالی که در نوع سه، در حلقههای عمود بر محور نانولوله، اتمهای سیلیسیم و ژرمانیم بطور متناوب قرار گرفتهاند. در نوع چهارم لایههای سیلیسیم و ژرمانیم به موازات محور نانولوله قرار میگیرند.[1]
پژوهشهای تجربی، پیشبینیهای نظری و محاسباتی گستردهای در زمینهی نانومواد سیلیسیم-ژرمانیم انجام شده است. در مهمترین آنها Xin Liu و همکارانش با استفاده از شبیهسازی دینامیک مولکولی نشان دادند که نانولولهی سیلیسیم-ژرمانیم با آرایش اتمی متناوب از پایداری حرارتی بالاتری نسبت به سایر آرایشهای اتمی برخوردار است و همچنین تأثیر قطر را بر روی نقطهی ذوب بررسی کردند و دریافتند که با افزایش قطر نقطهی ذوب بیشتر شده و در نتیجه نانولوله پایدارتر میشود. گروه مذکور تغییر ساختار نانولوله به ساختار نانوسیم و پس از آن به ساختار مچاله شده در طی افزایش درجه حرارت را گزارش کردند. از دیگر نتایج آنها کاهش نقطهی ذوب نانولوله با افزایش غلظت ژرمانیم است.[3]
از جمله کاربردهای نانولولهی سیلیسیم-ژرمانیم میتوان به حفاریهای نانو، برش نانو، میکروسکوپ و استفاده از آن بعنوان آند در باتریهای لیتیوم-یون اشاره کرد.
شبیه سازی دینامیک مولکولی کاربردهای بسیار وسیعی در اکثر شاخه های فیزیک حالت جامد، علم مواد، شیمی و بیولوژی مولکولی دارد. از آنجایی که سیستمهای مولکولی عموما شامل تعداد زیادی از ذرات هستند، به دست آوردن ویژگیهای سیستمهای پیچیده بطور تحلیلی امکان پذیر نیست. شبیه سازی دینامیک مولکولی این مساله را با بکار بردن روش محاسباتی حل میکند. این روش، یک واسطه بین تجربیات آزمایشگاهی و نظریه است و به عنوان یک آزمایش مجازی در نظر گرفته میشود.
دینامیک مولکولی روابط بین ساختار مولکولها، حرکت مولکولها و توابع توزیع مولکولی را بررسی میکند. برای انجام شبیه سازی انتخاب یک پیکربندی اولیه برای سامانه اهمیت زیادی دارد، زیرا این پیکر بندی در موفقیت یا عدم موفقیت یک شبیهسازی موثر است، بهتر است پیکربندی اولیه، به حالت مورد نظر برای شبیهسازی نزدیک باشد.[7]
در این مقاله نانولولهی سیلیسیم-ژرمانیم که دارای 90 درصد اتمهای سیلیسیم و 10 درصد اتمهای ژرمانیم میباشد را انتخاب و با استفاده از تکنیک شبیه سازی دینامیک مولکولی شبیهسازی کرده و گذار فاز و همچنین خواص گرمایی آن در حضور درصدهای مختلفی از نقص تهیجای شبکه محاسبه شده است.
جزئیات شبیهسازی
با تکنیک شبیهسازی دینامیک مولکولی و با استفاده از نرم افزار لمپس[8]، نانولولهی سیلیسیم-ژرمانیم با 90 درصد سیلیسیم و 10 درصد ژرمانیم بر مبنای پتانسیل بر هم کنشی ترسف[9] شبیهسازی میشود. سیستم را در هنگرد دما و فشار ثابت - NPT - در نظر گرفته، و برای کنترل دما و فشار به ترتیب از ترموستات و باروستات نوز-هوور10]و[11 استفاده می کنیم. شرط مرزی دورهای در امتداد محور نانولوله اعمال شده است، و معادلات حرکت با الگوریتم سرعت ورله و گام زمانی یک فمتوثانیه حل شدهاند. سیستم را در مدت زمان 400 پیکوثانیه در دمای 300 کلوین و فشار صفر اتمسفر به تعادل میرسانیم، در مرحله تعادل انرژی کاهش یافته و حول یک مقدار ثابت نوسان میکند. پس از به تعادل رساندن سیستم، دما را 5 کلوین افزایش داده و دوباره به مدت 5 پیکوثانیه به تعادل میرسانیم. افزایش دما را تا مشاهدهی گذار فاز ادامه میدهیم.
شکل1 تغییرات انرژی پتانسیل نانولولهی سیلیسیم-ژرمانیم را برحسب گام زمانی برای درصدهای مختلف از نقص نقطهای در حالت تعادل نشان میدهد. همانگونه که در شکل دیده میشود افزایش درصد نقص سبب افزایش انرژی پتانسیل و در نتیجه کاهش پایداری نانولوله میشود. با استفاده از نتایج شبیهسازی، انرژی تشکیل یک تهیجا در ساختار شبکه با کمک رابطهی 1 برابر با 0,00023eV/atom خواهد شد.[12]
رابطه1
شکل :1 نمودار انرژی پتانسیل در حالت تعادل برحسب گام زمانی برای درصدهای مختلف نقص نقطهای در نانولولهی Si-10%Ge
در شکل 2 نمودار میانگین مربع جابجایی برای درصدهای مختلفی از نقص در نانولولهی سیلیسیم-ژرمانیم با 90 درصد سیلیسیم و 10 درصد ژرمانیم برحسب دما رسم شده است. میانگین مربع جابجایی اطلاعاتی در مورد پخش ذرهها در بر دارد. اگر دستگاه مورد مطالعه جامد باشد، با گذشت زمان میانگین مربع جابجایی به مقدار متناهی میل میکند ولی اگر دستگاه مایع باشد، مقدار میانگین مربع جابجایی به طور خطی با زمان افزایش مییابد. با استفاده از میانگین مربع جابجایی، میتوان ضریب پخش - تعداد ذرات عبوری در واحد زمان از واحد سطح - را در زمانهای طولانی محاسبه کرد. در این شکل منحنیهای میانگین مربع جابجایی در فاز جامد ثابت بوده و پس از گذار به فاز مایع با افزایش دما افزایش یافتهاند.
کمیت مهم دیگری که میتواند گذار فاز از جامد به مایع را نشان دهد، انرژی کل نانولوله بوده که با افزایش دما افزایش مییابد و در نقطهی ذوب یک جهش ناگهانی که معادل با انرژی گرمای نهان ذوب نانولوله میباشد، خواهد داشت. با مشتق گرفتن از نمودار انرژی پتانسیل میتوانیم نقطهی ذوب نانولولهها را که اولین پیک در این نمودار است، به دست آوریم. در شکل3 نمودار انرژی پتانسیل و مشتق آن مربوط به نانولولهی Si-10%Ge در حالت ایدهآل برای نمونه رسم شده است.
شکل :2 نمودار میانگین مربع جابجایی برای در صدهای مختلف نقص نقطهای در نانولولهی Si-10%Ge
شکل :3 نمودار انرژی پتانسیل و مشتق آن بر حسب دما برای نانولولهی
