بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله با استفاده از شبیه ساز ATK عملکرد ترمو الکتریکی انواع نانولولههای کربنی زیگزاگ - 17,0 - ، آرمچیر - 10,10 - و کایرال - 12,8 - با قطر ثابت - - موردبررسی قرار گرفتند. پس از بررسی پراکندگی طیف فونون در نانولوله کربنی زیگزاگ کمتر از پراکندگی نانولوله کربنی آرمچیر و کایرال شد و همچنین سطح هدایت حرارتی در حالت زیگزاگ بهتر مهار شد و نیز مشخص شد نانولولههای کربنی آرمچیر پراکندگی انتقال الکترونی بیشتری نسبت به دو حالت زیگزاگ و کایرال دارند.
-1 مقدمه
مواد ترموالکتریک موردمطالعه اولیه، فلزات بودند در اواسط قرن بیستم، به علت ضریب سیبک1 و هدایت گرمائی بالا به دلیل انتقال فونونی2، توجهها به سمت مواد ترموالکتریک نیمه رسانا با نسبت هدایت الکتریکی به هدایت گرمایی کوچک، جلب شد
مواد ترموالکتریک خوب باید ضرایب سیبک بزرگ، هدایت الکتریکی - رسانایی، رسانش - بالا داشته باشند تا گرمایش ژول به حداقل برسد و هدایت گرمایی کم داشته باشند تا گرما را در اتصالات حفظ کند و گرادیان دمایی را بالا نگه دارد.Ioffe در سال 1957 این یافته را بهصورت معیار شایستگی ZT ارائه کرد و برای تعیین کارایی مواد ترموالکتریک استفاده کرد
ظهور ساختارهای نانو فیلم چاه کوانتومی و ساختارهای ابر شبکه نانوسیمی که ZT را بهبود میبخشد، توجهات را بر روی درک رفتار انتقال حامل در نانو ساختارها متمرکز کرده است. حبس کوانتومی در نانو ساختارها باعث افزایش چگالی حاملهای محلی در حالت یکنواخت در نزدیکی انرژی فرمی میشود که ضریب سیبک را افزایش میدهد [1]، درحالیکه هدایت گرمایی به علت حبس فونون و پراکندگی فونون در سطح مشترک ماده در ابر شبکه3 میتواند کاهش یابد
بهطورمعمول فرض میشود که هدایت الکتریکی به علت گاف انرژی بزرگ نیمهرسانا و تفاوت مسافتهای آزاد میانگین الکترون و فونون به طور قابلتوجهی تحت تأثیر قرار نگیرد. این فرض همچنین نتیجهای از مدلهای مبتنی بر ذرات است. مزایای ضریب هدایت گرمایی کاهشیافته و بهبود ضریب سیبک، ZT بالاتری نسبت به ساختارهای حجیم را ازنظر تئوری پیشبینی میکند. بااینوجود، مشاهدات تجربی نتوانسته اند به این مزایای احتمالی دستگاههای ترموالکتریک ابر شبکه ای، باوجود پیشرفتهای پیشبینیشده در ZT و کاهش تجربی در هدایت گرمایی آنها در مقایسه با همتایان حجیم خود، دست یابند
ازاینرو به درک بهتر همه عوامل مهمی که به شایستگی ترموالکتریک دستگاههای نانومقیاس میپردازد، نیاز است. از دیدگاه مهندسی ترموالکتریک، نانولولههای کربنی تک جداره 4 - SWCNT - ویژگیهای مفید بسیار بسیار زیادی دارند که شامل انعطافپذیر بودن، وزننسبتاً کم، فراوانی بالا و غیر سمی بودن میباشند. علیرغم این ویژگیها، عملکرد ترموالکتریکی نانولولههای کربن تک جداره حجمی، رضایتبخش نیست. بااینحال، اخراًی قابلیت بالای این ساختارها برای استفاده بهعنوان مواد ترموالکتریکی انعطافپذیر گزارششده است و این مسئله توجه بسیار زیادی را به خود معطوف داشته است.
-2 شبیهسازی انواع نانولوله کربنی
برای شبیهسازی انواع نانولوله کربنی شامل زیگزاگ، آرمچیر و کایرال لازم است قطر هر نانولوله را محاسبه کرده و سپس در نرمافزار ATK به پیادهسازی آن بپردازیم قطر هر نانولوله کربنی از رابطه زیر محاسبه میشود.
که در آن طول پیوند کربن-کربن برابر با 1/42Å می باشد و n و m اعدادی صحیح هستند. بسته به اینکه n و m به چه صورت باشند میتوان نانولولههایی با شکلهای مختلف ساخت. نانولولههای - n,n - را نانولوله آرمچیر1، - n,0 - را نانولوله زیگزاگ2 و - n,m - را نانولوله کایرال3 مینامیم.
رابطه - 1 - را میتوان برای حالت های خاص ساده کرد. برای نانولولهی آرمچیر که m=n است، رابطهی - 2 - و برای نانولولهی زیگزاگ که n=0 است، رابطهی - 3 - به دست میآید. واحد اندازهگیری شعاع در این روابط، آنگستروم است.
نانولولههای 0 - و - 17، 10 - و - 10 و 8 - و - 12 قطرهای تقرباًی مساوی، ابریاخته نانولوله کایرال دارای بیشترین اتم کربن و سلول نانولوله آرمچیر دارای کمترین تعداد اتم کربن میباشد. شکل 1 بدین ترتیب اثرات ترموالکتریک را در انواع نانولولههای کربنی با قطر ثابت را موردبررسی قرار میدهد.
الف: - 12 ,8 - ب: - 17 ,0 - ج: - 10,10 -
شکل :1 نانولولههای 0 - و - 17، 10 - و - 10 و 8 - و - 12 قطرهای تقرباًی مساوی
ابریاخته نانولوله کایرال دارای بیشترین اتم کربن و سلول نانولوله آرمچیر دارای کمترین تعداد اتم کربن میباشد.
-3 نتایج شبیهسازی
پراکندگی طیف فونون در نانولوله کربنی زیگزاگ کمتر از پراکندگی نانولوله کربنی آرمچیر و کایرال است.
شکل:2 پراکندگی طیف فونون در نانولوله کربنی با قطر ثابت در حالتهای زیگزاگ، کایرال و آرمچیر ×
با توجه به اینکه هرچه پراکندگی طیف فونون کمتر باشد نانولوله هدایت حرارتی بهتری دارد انتظار داریم هدایت حرارتی حالت زیگزاگ بهتر از دو حالت دیگر باشد.
شکل :3 هدایت حرارتی فونون برحسب دما در نانولوله کربنی با قطر ثابت در حالتهای زیگزاگ، کایرال و آرمچیر
همانگونه که در شکل 4 مشاهده میشود نانولولههای کربنی آرمچیر، پراکندگی انتقال الکترونی بیشتری نسبت به دو حالت زیگزاگ و کایرال دارند.
شکل :4 طیف انتقال الکترون در نانولوله کربنی با قطر ثابت در حالتهای زیگزاگ، کایرال و آرمچیر
همانطور که در شکل 5 مشاهده میشود ضریب سیبک برای حالت زیگزاگ بیشتر از دو حالت آرمچیر و کایرال است.
شکل :5 ضریب سیبک برای نانولوله کربنی با قطر ثابت در حالتهای زیگزاگ، کایرال و آرمچیر
با توجه به نتایج بهدستآمده معیار شایستگی ZT در انواع نانولولههای کربنی به شرح زیر است. شکل - 6 -
- ج - شکل -6 الف - معیار شایستگی نانولوله کربنی زیگزاگ - 17 ,0 - ، ب - معیار
شایستگی نانولوله کربنی آرمچیر - 10 ,10 - ، ج - معیار شایستگی نانولوله کربنی کایرال - 12 ,8 - با قطر ثابت - -
همانطور که در شکل 6 دیده میشود نانولوله کربنی با قطر ثابت در حالت زیگزاگ خواص ترموالکتریکی بهتری نسبت به دو حالت دیگر دارد.
-4 نتیجهگیری
در این مقاله به بررسی عملکرد ترمو الکتریکی انواع نانولولههای کربنی زیگزاگ 0 - ، - 17، آرمچیر 10 - ، - 10 و کایرال 8 - ، - 12 با قطر ثابت - - × پرداختیم و به این نتایج دستیافتیم پراکندگی طیف فونون در نانولوله کربنی زیگزاگ کمتر از پراکندگی نانولوله کربنی آرمچیر و کایرال است و با توجه به اینکه هرچه پراکندگی طیف فونون کمتر باشد نانولوله هدایت حرارتی بهتری دارد، درنتیجه هدایت حرارتی حالت زیگزاگ بهتر از دو حالت دیگر است. نانولولههای کربنی آرمچیر پراکندگی انتقال الکترونی بیشتری نسبت به دو حالت زیگزاگ و کایرال دارد. ضریب سیبک برای حالت زیگزاگ بیشتر از دو حالت آرمچیر و کایرال است و درنهایت دریافتیم نانولوله کربنی با قطر ثابت در حالت زیگزاگ خواص ترموالکتریکی بهتری نسبت به دو حالت دیگر دارد.
