بخشی از مقاله
چکیده
هدف از این تحقیق بررسی تأثیر درصدهاي مختلف نقص نقطهاي بر ویژگیهاي گرمایی نانولولههاي سیلیسیم- ژرمانیم با استفاده از روش شبیه سازي دینامیک مولکولی می باشد. این شبیه سازي در هنگرد هم دما و هم فشار - NPT - بر مبناي پتانسیل بین اتمی ترسف انجام شده است. ویژگیهاي گرمایی نانولولههاي سیلیسیم - ژرمانیم از جمله دماي ذوب، انرژي همدوسی و ظرفیت گرمایی ویژه با حضور درصدهاي مختلف نقص نقطهاي محاسبه شده است. نتایج حاکی از آن است که با افزایش درصد نقص نقطهاي پایداري حرارتی کاهش یافته و در نتیجه دماي ذوب و ظرفیت گرمایی ویژه نسبت به حالت ایده آل کاهش مییابد.
مقدمه
نانولوله ها با توجه به کاربردشان در صنعت نیمههاديها درسالهاي اخیر مورد توجه بسیاري قرار گرفتهاند. با قرار دادناتمهاي سیلیسیم در ساختار نانولولههاي کربنی به جاي اتمهاي کربن، نانولولههاي سیلیسیمی به دست میآید .[1] کربن و سیلیسیم در یک ستون از جدول تناوبی عناصر قرار دارند. سیلیسیمداراي الکترونهاي بیشتري در پوسته بیرونی خود نسبت به کربن است و همین عامل باعث میشود که نانولولههاي سیلیسیمی در مقایسه با نانولولههاي کربنی هیدروژن بیشتري را جذب کنند و به همین علت نانولوله هاي سیلیسیمی براي ذخیرهي انرژي نسبت بهنانولوله هاي کربنی مناسبتر هستند .[2] نانولوله هاي سیلیسیمی داراي ویژگیهاي الکتریکی و ساختاري یکتایی از جمله مقاومت مکانیکی بالا، پایداري و رسانندگی گرمایی بسیار عالی هستند و در آشکارسازها، حسگرهاي بیوشیمیایی و قطعات کوچک الکترونیکی مورد استفاده قرار میگیرند. از طرفی ژرمانیم در همان ستون سیلیسیم و کربن قرار دارد و گزینهي مناسبی براي استفاده در صنایع نانو الکترونیک است .[3] ژرمانیم علاوه بر اینکه خواص ساختاري و الکترونی مشابه با سیلیسیم دارد بیشتر به دلیلتفاوتهایی که با سیلیسیم دارد مورد توجه قرار گرفته است. از جملهي این تفاوتها میتوان به بالا بودن تحرك حاملهاي ذاتی اشاره کرد که منجر به عملکرد بهتر ترانزیستورهاي اثر میدان میشود .[4]
نانولوله هاي سیلیسیم- ژرمانیم از رول کردن ورقهي شبه گرافن از اتمهاي سیلیسیم و ژرمانیم که در شبکههاي لانه زنبوري قرار دارند تشکیل شده است. نانولوله هاي سیلیسیم- ژرمانیم به صورت نیمه رسانا با طیف گستردهي پهناي باند در طبیعت وجود دارند .[5] این نانولولهها ویژگیهاي مکانیکی عالی از خود نشان میدهند و از آنها میتوان در نانوانبركها، نانو حفاريها، نوك میکروسکوپها و به عنوان آند باتريهاي لیتیوم- یون استفاده کرد
.[3,6] پژوهشهاي تجربی، نظري و محاسباتی گستردهاي در زمینه نانومواد سیلیسیم- ژرمانیم انجام شده است، به عنوان مثال Zhang و همکارانش دریافتند با خم کردن نانوفیلمهاي سیلیسیم-ژرمانیم، نانولولههاي سیلیسیم- ژرمانیم تولید میشود[7]، Schmidt و همکارانش به طور تجربی با روش خمش فیلم نازك نانولولههاي سیلیسیم- ژرمانیم تولید کردند [8] و همچنین Liu Xin به کمک همکارانش با شبیه سازي دینامیک مولکولینشان دادند نانولولهي سیلیسیم- ژرمانیم با آرایش اتمی متناوب از پایداري حرارتی بالایی برخوردار است و متوجه شدند با افزایش قطر نانولوله نقطه ذوب بیشتر شده و نانولوله پایدارتر میشود .[3] A.R.Setoodeh و همکارانش با استفاده از روش شبیه سازي دینامیک مولکولی مدول یانگ مؤثر نانولولههاي سیلیسیم- ژرمانیم و تأثیرات شعاع و طول را روي این ویژگیها بررسی نمودند .[9] شبیه سازي دینامیک مولکولی و روش مربوط به مونت کارلو [10] براي محاسبهي نمودارهاي فازي سیستمها [11] و همچنین براي مطالعهي پدیدههاي ذوب و انجماد با موفقیت مورد استفاده قرار گرفته [12,13]، که با اعمال شرایط شبه طبیعی و مراقبت در سطحمیات یک محیط کاملاً کنترل شده به وجود میآورد و انجام آزمایشهاي پرهزینه و یا حتی غیرممکن را امکان پذیر میسازد. بلور کامل در طبیعت به ندرت یافت میشود و بلورهاي واقعی همیشه انحرافهایی از حالت بلوري کامل دارند .[14] نقصهاي بلوري بسیار مهم هستند زیرا وجود آنها خواص مکانیکی، گرمایی و شیمیایی یک جامد را تحت تأثیر قرار میدهند. لذا در این شبیه سازي نانولوله هاي سیلیسیم- ژرمانیم را در حالتی که داراي درصدهاي مختلف نقص نقطهاي از نوع تهیجا هستند مورد شبیه سازي قرار دادیم و نتایج را با حالت ایدهآل مقایسه کرده و توانستیم تأثیر نقص نقطهاي را روي برخی از ویژگیهاي گرمایی آنها بررسی کنیم. نتایج حاصل از شبیهسازي نانولوله هاي سیلیسیم- ژرمانیم ما را در ساخت دقیقتر نانوانبركها، نوك میکروسکوپها و باتريهاي لیتیوم- یون یاري میکند.
جزئیات شبیه سازي
ابتدا یک کد کامپیوتري به زبان برنامهنویسی فرترن نوشته و ساختار اولیهي 1200 اتم را با اندیسهاي کایرال متفاوت مشخص کرده و با استفاده از نرم افزار لمپس [15] نانولولهي سیلیسیم-ژرمانیم را بر مبناي پتانسیل برهمکنشی ترسف [16] شبیه سازي کردیم. سیستم را در هنگرد هم دما و هم فشار - NPT - در نظر گرفته و براي کنترل دما و فشار به ترتیب از ترموستات و باروستات نوز- هوور استفاده کردیم .[17 , 18] براي ثابت نگه داشتن تعداد ذرات، از شرط مرزي دورهاي استفاده کرده و معادلات حرکت را با الگوریتم سرعت ورله و گام زمانی0.002 پیکوثانیه حل کردیم. در ابتدا سامانه را در زمان 200 پیکوثانیه دردماي 300 کلوین در فشار صفر پاسکال به تعادل رساندیم. سپس انرژي پتانسیل، دماي ذوب و ظرفیت گرمایی ویژه را براي نانولوله هاي سیلیسیم- ژرمانیم زیگزاگ - 6,0 - , - 5,0 - , - 4,0 - - 10,0 - , - 9,0 - , - 8,0 - , - 7,0 - و نانولوله هاي سیلیسیم- ژرمانیم کایرال - 4,3 - , - 5,3 - , - 6,3 - , - 7,3 - , - 8,3 - , - 9,3 - ایدهآل و داراي درصدهاي مختلف نقص نقطهاي اتمهاي SiGe, Ge ,Si را محاسبه کردیم.
نمودارهاي انرژي پتانسیل برحسب گام زمانی، ظرفیت گرمایی ویژه و نقطهي ذوب برحسب درصدهاي مختلف نقص نقطهاي اتمهاي SiGe, Ge ,Si براي نانولوله هاي SiGe - 5,0 - و SiGe - 5,3 - رسم شده است. که با توجه به این نمودارها تأثیر نقص نقطهاي بر گذار فاز جامد به مایع، تغییرات انرژي برحسب دما و خواص گرمایی مشخص میشود. به عنوان نمونه نمودارهاي 1و 2 نشان دهندهي انرژي پتانسیل نانولوله هاي SiGe - 5,0 - و - SiGe - 5,3 ایدهآل و داراي درصدهاي مختلف نقص نقطهاي اتمهاي SiGe در مرحلهي تعادل است. همانطور که در این شکلها مشخص است افزایش درصد نقص در نمونه باعث افزایش انرژي پتانسیل شده و در
نتیجه باعث کاهش پایداري نانولولهها میشود.
شکل ١ : نمودار انرژي پتانسیل در حالت تعادل برحسب گام زمانی براي درصدهاي مختلف نقص نقطهاي اتمهاي SiGe نانولولهي - ٠,٥SiGe -
شکل ٢ : نمودار انرژي پتانسیل در حالت تعادل برحسب گام زمانی براي درصدهاي مختلف نقص نقطهاي اتمهايSiGe نانولولهي - SiGe - 5,3
نمودارهاي 3و 4 نشان دهندهي تغییرات نقطهي ذوب براي نانولوله هاي - SiGe - 5,0 و - SiGe - 5,3 ایدهآل و داراي درصدهایی از نقص نقطهاي است. همانطوریکه در شکلها مشاهده میشود با افزایش درصدهاي مختلف نقص نقطهاي براي هریک از اتمهاي SiGe, Ge, Si نقطهي ذوب نانولوله ها کاهش مییابد.
شکل : 3 نمودار نقطهي ذوب برحسب درصدهاي مختلف نقص نقطهاي نانولولهي - ٠,٥SiGe -
شکل : 4 نمودار نقطهي ذوب برحسب درصدهاي مختلف نقص نقطهاي نانولولهي - ٣,٥SiGe -
ظرفیت گرمایی ویژه تغییرات آنتالپی برحسب دماست. از آنجاییکه شبیه سازي در فشار صفر پاسکال انجام شده است آنتالپی با انرژي برابر بوده و خواهیم داشت:
نمودارهاي 5 و6 ظرفیت گرمایی ویژه برحسب دما را براي درصدهاي مختلف نقص نقطهاي نانولوله هاي SiGe - 5,0 - و SiGe - 5,3 - نشان میدهد. از این شکلها درمییابیم که بالا رفتن درصد نقص نقطهاي در نانولولههاي سیلیسیم- ژرمانیم باعث کاهش ظرفیت گرمایی ویژه آنها میشود.
شکل : 5 نمودار ظرفیت گرمایی ویژه برحسب درصدهاي مختلف نقص نقطه اي نانولوله
