Sifat termal dari dua alotrop karbon 2D baru dengan cincin beranggota lima-lima-delapan dieksplorasi menggunakan simulasi dinamika molekul. Hasil kami mengungkapkan bahwa konduktivitas termal meningkat secara monoton dengan bertambahnya ukuran. Konduktivitas termal ukuran tak terbatas diperoleh dengan hubungan linier dari panjang terbalik dan konduktivitas termal terbalik. Konduktivitas termal konvergensi yang diperoleh dengan ekstrapolasi dalam metode dinamika molekul non-kesetimbangan terbalik ditemukan sesuai dengan yang ada dalam metode dinamika molekul kesetimbangan. Konduktivitas termal yang jauh lebih rendah, dibandingkan dengan graphene, dikaitkan dengan kecepatan grup fonon yang lebih rendah dan jalur bebas rata-rata fonon. Suhu dan efek regangan pada konduktivitas termal juga dieksplorasi. Konduktivitas termal menurun dengan meningkatnya suhu dan juga dapat disetel melalui rekayasa regangan dalam rentang yang besar. Pengaruh regangan pada TC dijelaskan dengan baik oleh analisis spektrum getaran fonon. Studi ini memberikan wawasan fisik tentang sifat termal dari dua alotrop karbon di bawah kondisi yang berbeda dan menawarkan panduan desain untuk aplikasi perangkat baru terkait alotrop karbon dua dimensi.
Bahan karbon, misalnya berlian [1], nanotube karbon [2,3,4,5], dan graphene [6,7,8,9,10,11,12], telah mendorong minat penelitian yang luar biasa karena keunggulannya. sifat transportasi termal. Terutama bahan karbon berdimensi rendah menunjukkan sifat luar biasa dalam perpindahan panas. Sebagai bahan 1D, konduktivitas termal yang tinggi (TC) dari nanotube karbon tunggal telah diamati oleh percobaan [2, 3], dan studi teoritis [4, 5]. Selain itu, sebagai bahan karbon datar dua dimensi (2D) setebal atom tunggal, graphene dianggap sebagai bahan revolusioner untuk generasi masa depan komposit yang diperkuat konduktif termal karena TC-nya yang tinggi [6,7,8,9,10 ,11,12]. Dilaporkan juga bahwa TC graphyne dapat mencapai 40% graphene dan memiliki aplikasi potensial dalam manajemen termal [13,14,15].
Terinspirasi oleh karakteristik menarik dari alotrop karbon ini, para peneliti telah melakukan upaya intensif untuk mempelajari alotrop karbon dan turunannya dalam beberapa tahun terakhir. Pendekatan eksperimental dan teoritis telah diadopsi untuk menyelidiki alotrop karbon 2D baru, seperti sp 2 -seperti lapisan karbon dengan cincin beranggota lima, enam, dan tujuh [16]; karbon amorf 2D dengan cincin beranggota empat [17]; karbon planar pentaheptit [18]; Semikonduktor karbon 2D dengan cacat berpola [19]; beberapa jaringan karbon datar 2D [20]; oktagrafena [21]; T-grafena [22]; dan H-net [23]. Identifikasi sifat unik alotrop karbon 2D ini penting untuk generasi mendatang bahan nano dalam bidang elektronik, fotonik, dan termal [16,17,18,19,20,21,22,23].
Dengan meningkatnya minat dalam mengeksplorasi struktur baru dari alotrop karbon 2D, Su et al. [24] mengusulkan dua alotrop karbon 2D yang kompetitif secara energetik dan stabil secara kinetik yang terdiri dari segi delapan dan segi lima melalui perhitungan prinsip pertama. Stabilitas kinetik dari dua lembaran karbon ini dikonfirmasi dengan menghitung kurva dispersi fononnya. Karena fakta bahwa struktur kedua alotrop karbon ini dapat dilihat sebagai penyalinan pita cincin beranggota lima-lima-delapan (558) di sepanjang jalur garis lurus dan di sepanjang jalur zig-zag, kedua alotrop karbon ini dinamakan segi delapan dan pentagon graphene-line (OPG-L) dan octagon dan pentagon graphene-zigzag (OPG-Z), masing-masing. Energi pembentukan kedua alotrop karbon ini berturut-turut adalah 0,31 eV/atom dan 0,34 eV/atom. Nilai tersebut jauh lebih rendah dibandingkan energi pembentukan graphyne yang telah disintesis sebelumnya, yaitu 0,76 eV/atom [25]. Perlu dicatat bahwa OPG-Z memiliki anisotropi struktur elektronik yang luar biasa yang memiliki aplikasi potensial dalam perangkat elektronik [24]. Akibatnya, untuk memenuhi persyaratan aplikasi elektronik OPG-L dan OPG-Z, tidak dapat dihindari dan perlu untuk meneliti sifat disipasi termal dari dua struktur baru. Hingga saat ini, sifat termal dari kedua struktur ini masih belum jelas.
Dalam karya ini, kami menyelidiki sifat termal dari dua alotrop karbon 2D baru menggunakan simulasi dinamika molekul. Ukuran, regangan, dan efek suhu pada TC dieksplorasi. Hasilnya dianalisis dengan menghitung densitas vibrasi keadaan (VDOS) dari fonon. Penelitian kami tentang sifat termal dari kedua alotrop karbon ini menunjukkan aplikasi potensialnya dalam perangkat manajemen termal.
Struktur OPG-L (Gbr. 1a) dan OPG-Z (Gbr. 1b) mengandung sel representatif yang terdiri dari segi delapan dan segi lima [24]. Untuk membedakan tipe tepi dari struktur, kami mendefinisikan kiralitas kursi berlengan dan zigzag seperti halnya graphene (lihat Gbr. 1). Kedua struktur ini dapat dibentuk oleh pita 558 representatif yang ditunjukkan oleh atom merah menggunakan simetri translasi sepanjang baris hijau.
Model skema dari a OPG-L dan b OPG-Z. Bingkai putus-putus hitam adalah sel satuan ortogonal OPG-L dan OPG-Z, di mana OA dan OB adalah vektor kisi. Sel primitif OPG-L ditampilkan dalam bingkai putus-putus biru sedangkan sel primitif OPG-Z sama dengan sel kristal
Semua simulasi MD dilakukan menggunakan paket simulator paralel besar-besaran atom/molekul (LAMMPS) skala besar [26]. Kami menggunakan potensi Tersoff yang dioptimalkan oleh Lindsay dan Broido [27], dengan sedikit modifikasi, yaitu, potensi Tersoff yang dioptimalkan yang dimodifikasi, untuk menggambarkan interaksi di antara atom karbon. Lindsay dan Brodio mengoptimalkan dua parameter dibandingkan dengan potensial Tersoff asli [28], satu untuk sudut ikatan kesetimbangan dan satu untuk kekuatan interaksi tarik-menarik. Menurut potensi Tersoff yang dioptimalkan ini [27], panjang ikatan kesetimbangan dalam graphene adalah 1,4388 Å, yang lebih besar dari nilai eksperimen 1,42 Å [29]. Karena satu-satunya parameter yang berhubungan dengan panjang dalam potensi Tersoff adalah λ 1 dalam fungsi menjijikkan (f R = A exp.(-λ 1 r )) dan λ 2 dalam fungsi atraktif (f A = B exp(-λ 2 r )), kita dapat memperoleh panjang ikatan yang benar dengan mengalikan kedua parameter ini dengan faktor 1,4388/1,42. Artinya, kita mengubah λ 1 dari 3.4879 Å −1 hingga 3,5333 Å −1 dan ubah λ 2 dari 2.2119 Å −1 ke 2.2407 Å − 1 . Modifikasi ini hanya mengubah skala panjang potensi secara global. Berdasarkan potensi Tersoff yang dioptimalkan yang dimodifikasi ini, parameter kisi keseimbangan yang sesuai dalam simulasi MD adalah sebagai berikut:OA = 3.63 Å, OB = 9.38 Å di OPG-L dan OA = 6.78 Å, OB = 5.04 Å di OPG-Z, yang merupakan dalam kesepakatan yang baik dengan penelitian sebelumnya dari Su et al. [24], yaitu, OA = 3.68 Å, OB = 9.12 Å di OPG-L dan OA = 6.90 Å, OB = 4.87 Å di OPG-Z.
Dinamika molekuler non-kesetimbangan terbalik (rNEMD) [30] simulasi dilakukan untuk menghitung TC. Kondisi batas periodik diadopsi dalam dimensi x dan y. Struktur OPG-L dan OPG-Z awalnya dioptimalkan melalui versi Polak-Ribiered dari algoritma gradien terkonjugasi [31], dan rendaman termal Nosé-Hoover 0,25-ns [32, 33] digunakan kemudian untuk memastikan sistem mencapai keadaan setimbang pada 300 K (dengan langkah waktu 0,25 dtk). Setelah mendekati keadaan setimbang, model dibagi menjadi 50 slab sepanjang arah perpindahan panas. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2a, pelat pertama ditetapkan sebagai unit pendingin sedangkan pelat ke-26 (pelat tengah sampel) adalah sumber panas, dan fluks panas berpindah dari sumber panas (wilayah panas) ke unit pendingin ( daerah dingin). Arah perpindahan fluks panas didefinisikan sebagai arah panjang (L) sedangkan arah transversal adalah arah lebar (W). Fluks kalor J dilepaskan/disuntikkan di antara dua lempengan ini dengan cara menukar energi kinetik antara atom terpanas, yang memiliki energi kinetik tertinggi, di pelat pendingin dan atom terdingin, yang memiliki energi kinetik terendah, di sumber panas. lempeng. Fluks panas J dapat diperoleh dengan menghitung jumlah pertukaran energi kinetik antara heat sink dan pelat sumber panas sesuai dengan persamaan berikut.
$$ J\kern0.5em =\kern0.5em \frac{\sum_{\mathrm{Nswap}}\frac{1}{2}\left({mv}_h^2-{mv}_c^2\right )}{t_{\mathrm{swap}}}, $$ (1)
a Plot skema dari metode rNEMD. Fluks panas berpindah dari sumber panas (daerah panas) ke unit pendingin (daerah dingin). Arah perpindahan fluks panas didefinisikan sebagai arah panjang (L) sedangkan arah transversal adalah arah lebar (W). b Distribusi suhu rata-rata sebagai fungsi pelat
dimana t tukar adalah total waktu pertukaran energi kinetik, N tukar menunjukkan jumlah pasangan atom yang bertukar, m adalah massa atom, dan v h dan v c mewakili kecepatan pertukaran atom (atom terpanas dengan energi kinetik tertinggi di pelat heat sink dan atom terdingin dengan energi kinetik terendah di pelat sumber panas), masing-masing. Suhu setiap slab dikumpulkan dan dirata-ratakan selama 3,0 ns untuk mendapatkan distribusi suhu saat sistem mencapai kondisi tunak non-ekuilibrium (setelah 1,5 ns). Nilai TC (κ ) kemudian dihitung dengan menggunakan hukum Fourier sebagai
$$ \kappa =\frac{J}{2A\partial T/\partial L}, $$ (2)dimana A adalah luas penampang perpindahan panas (A diperoleh dengan mengalikan lebar dan tebal model), dan ∂T /∂L menunjukkan gradien suhu setelah sistem mencapai keadaan tunak non-kesetimbangan (lihat Gambar 2b). Faktor 2 menunjukkan fakta bahwa fluks panas berpindah dua arah dari sumber panas. Ketebalan model diasumsikan sebagai jarak kesetimbangan antarlapisan graphene (0,34 nm) [8, 10, 34, 35].
Kami pertama memeriksa efek ukuran sistem pada TC dari dua alotrop karbon. Sampel simulasi dibuat dengan lebar 3 nm yang sama tetapi panjang yang berbeda bervariasi dari 50 hingga 1000 nm. Perlu dicatat bahwa semua nilai panjang sampel yang disebutkan dalam pekerjaan ini adalah panjang efektif (L eff ) perpindahan panas. Artinya, panjang sampel efektif adalah setengah dari panjang sampel (L ), yaitu, L eff = L /2, yang dikaitkan dengan perpindahan fluks panas dari tengah (sumber panas) ke kedua ujung (penyerap panas) sampel dalam metode rNEMD. Khususnya, kami telah mengonfirmasi bahwa TC tidak bergantung pada lebar sampel dengan menghitung konduktivitas termal sampel dengan panjang tetap 50 nm tetapi lebar yang berbeda masing-masing 3 nm, 6 nm, 9 nm, dan 12 nm, seperti yang ditunjukkan pada Gbr. 3. TC OPG-L sepanjang arah zigzag dan kursi berlengan diberi nama κ OPG-LZ dan κ OPG-LA , masing-masing. Demikian pula, κ OPG-ZZ dan κ OPG-ZA digunakan untuk mewakili TC OPG-Z sepanjang zigzag dan arah kursi. Hasil simulasi menunjukkan bahwa TC OPG-L dan OPG-Z pada dua arah kiral meningkat secara monoton dengan panjang sampel bervariasi dari 50 hingga 1000 nm. Hal ini disebabkan bahwa pada sampel yang panjang, fonon akustik dengan panjang gelombang yang lebih panjang terlibat dalam perpindahan panas [9, 36]. Masing-masing, TC dari OPG-L dan OPG-Z sepanjang 50 nm dan 1000 nm di sepanjang arah zigzag adalah κ OPG-LZ50 = 125 W/mK, κ OPG-LZ1000 = 296 W/mK, κ OPG-ZZ50 = 94 W/mK, dan κ OPG-ZZ1000 = 236 W/mK. Sepanjang arah kursi berlengan, TC OPG-L dan OPG-Z adalah κ OPG-LA50 = 105 W/mK, κ OPG-LA1000 = 316 W/mK, κ OPG-ZA50 = 93 W/mK, dan κ OPG-ZA1000 = 214 W/mK.
TC dari OPG-L dan OPG-Z sebagai fungsi lebar
Untuk mengekstrak TC dari sampel yang panjangnya tak terhingga, digunakan prosedur pemasangan terbalik. Hubungan antara panjang terbalik dan TC terbalik dinyatakan sebagai [37,38,39]:
$$ {\kappa}^{-1}=\kappa {}_{\infty }{}^{-1}\left(\frac{2l}{L_{eff}}+1\right), $$ (3)dimana κ ∞ adalah TC ekstrapolasi dari sampel tak terbatas, l adalah phonon berarti jalur bebas, dan L eff adalah panjang efektif perpindahan panas. Persamaan (3) menunjukkan bahwa hubungan antara panjang terbalik dan TC terbalik harus linier. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4, hubungan linier antara panjang terbalik dan TC terbalik diamati. Dengan mengekstrapolasi ke L −1 = 0, TC sampel tak hingga, yaitu, κ OPG-LZ = 310 W/mK, κ OPG-LA = 332 W/mK, κ OPG-ZZ = 247 W/mK, dan κ OPG-ZA = 228 W/mK, diperoleh.
TC terbalik dari a OPG-L dan b OPG-Z sebagai fungsi dari kebalikan panjang sampel pada 300 K. Berlian biru terbuka dan bintik merah masing-masing mewakili TC di sepanjang arah zigzag dan kursi berlengan
Selain itu, kami juga mengekspresikan TC yang berjalan dalam metode dinamika molekul ekuilibrium (EMD) dengan menetapkan sampel dengan panjang dan lebar yang sama yaitu 20 nm (ukuran sampel simulasi ini telah diuji cukup besar untuk menghilangkan efek ukuran hingga) . Menurut karya Fan et al. [39, 40], perhitungan TC pada metode EMD didasarkan pada rumus Green-Kubo [41, 42], dimana TC yang berjalan sepanjang arah x dapat dinyatakan sebagai berikut:
$$ {\kappa}_{xx}(t)=\frac{1}{\kappa_B{T}^2V}{\int}_0^t\left\langle {J}_x(0){J}_x \left({t}^{\hbox{'}}\right)\right\rangle {dt}^{\hbox{'}}, $$ (4)dimana κ B adalah konstanta Boltzmann, V adalah volume sistem, T adalah suhu mutlak sistem, J x (0)J x (t ' )〉 adalah fungsi autokorelasi fluks panas, t adalah waktu korelasi, dan J x adalah fluks panas dalam arah x. Simbol mewakili rata-rata waktu dalam simulasi Merck. Waktu korelasi maksimum adalah 2 ns, yang telah diuji cukup besar. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 5, TC yang berjalan untuk OPG-L dan OPG-Z pada dua arah kiral pada 300 K diekspresikan dengan rata-rata hasil 100 simulasi independen dengan kecepatan awal yang berbeda. Kami selanjutnya dapat memperoleh TC dari sampel tak terbatas dengan merata-ratakan TC yang berjalan dalam waktu korelasi dari 1,0 hingga 2,0 ns. Artinya, TC konvergensi dari OPG-LZ, OPG-LA, OPG-ZZ, dan OPG-ZA masing-masing adalah 313 W/mK, 344 W/mK, 261 W/mK, dan 233 W/mK, yang berada di persetujuan yang masuk akal dengan hasil dengan ekstrapolasi dalam metode rNEMD.
Evolusi TC a OPG-LZ, b OPG-LA, c OPG-ZZ, dan d OPG-ZA pada 300 K sebagai fungsi waktu korelasi. Garis tipis mewakili hasil dari 100 simulasi independen dan garis tebal dan putus-putus mewakili batas rata-rata dan kesalahannya. κ ∞ adalah TC dari sampel tak terbatas, yang diperoleh dengan rata-rata menjalankan TC dalam waktu korelasi dari 1,0 hingga 2,0 ns
Ditemukan bahwa TC dari kedua alotrop karbon ini jauh lebih rendah daripada grafena (3000–5000 W/mK) [7, 43]. Untuk menjelaskan fenomena ini dan mengeksplorasi wawasan fisik, kami menghitung tiga parameter penting, yaitu C v , v g , dan l , berdasarkan persamaan transpor termal kisi klasik:
$$ \kappa =\frac{1}{3}{C}_v{v}_gl, $$ (5)di mana Cv adalah kapasitas panas, vg adalah kecepatan grup fonon efektif, dan l adalah jalur bebas rata-rata fonon.
Sampel dengan panjang dan lebar 20 nm diadopsi untuk menyelidiki kapasitas panas pada 300 K. Kapasitas panas dihitung mengikuti pendekatan McGaughey dan Kaviany [44], yang telah digunakan dalam dinamika molekul pendekatan-kesetimbangan simulasi [45]. Kami menghitung energi total E pada suhu T = 290 K, 295 K, 300 K, 305 K, 310 K dalam ansambel kanonik, dan hasilnya dirata-ratakan lebih dari 60 ps dari sepuluh simulasi independen dengan kecepatan awal yang berbeda. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 6, kemiringan dalam penyesuaian linier kurva energi-suhu adalah kapasitas panas.
Variasi energi sebagai fungsi suhu untuk a OPG-L dan b OPG-Z. Kemiringan kurva energi-suhu menunjukkan kapasitas panas. Kapasitas panas yang sesuai adalah 4,163 E-23 J/K, dan 4,126 E-23 J/K, masing-masing, per atom
Perlu dicatat bahwa kecepatan grup fonon yang kita hitung di sini adalah kecepatan grup fonon efektif v g daripada kecepatan grup fonon rata-rata v . Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 7, kecepatan grup fonon efektif dapat diperoleh dengan membandingkan hasil simulasi rNEMD dan EMD. Artinya, panjang sistem yang efektif L eff dapat didefinisikan dalam metode EMD dengan mengalikan batas atas waktu korelasi t dalam rumus Green-Kubo Persamaan. (4) dengan kecepatan grup fonon yang efektif v g , L eff v g t . TC yang sedang berjalan κ (t ) dari metode EMD juga dapat dianggap sebagai fungsi dari panjang sistem κ (L eff ). Dibandingkan dengan kecepatan kelompok fonon rata-rata, kecepatan kelompok fonon efektif adalah perkiraan kasar, tetapi telah banyak digunakan dalam mempelajari transportasi termal dalam model kisi dimensi rendah [46] dan juga telah digunakan untuk graphene [40] dan alotrop dari Si [39].
TC dari a OPG-LZ, b OPG-LA, c OPG-ZZ, dan (d ) OPG-ZA sebagai fungsi panjang sampel efektif dari simulasi EMD dan rNEMD. Kecepatan grup fonon efektif V g diperoleh dengan menggabungkan simulasi EMD dan rNEMD
Berdasarkan Persamaan. (3), jalur bebas rata-rata fonon dapat diperoleh dengan ekstrapolasi dalam metode rNEMD. Untuk membandingkan TC dari dua alotrop karbon ini dengan grafena, kami juga menyajikan tiga parameter grafena ini. Kapasitas panas graphene dihitung melalui metode di atas sedangkan kecepatan grup fonon efektif dan jalur bebas rata-rata fonon diperoleh dalam karya lain [7, 40]. Dapat ditemukan bahwa kapasitas panas dari kedua alotrop karbon ini dekat dengan graphene; namun, kecepatan grup fonon efektif dan jalur bebas rata-rata fonon jauh lebih rendah daripada graphene, yang mengarah ke TC yang lebih rendah dari kedua bahan tersebut (lihat Tabel 1).
Selanjutnya, kami mengeksplorasi ketergantungan TC pada suhu, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 8. Wilayah suhu 200 K hingga 300 K adalah rentang utama yang menjadi fokus kami. Sampel simulasi dibuat dengan lebar 3 nm yang sama tetapi panjangnya berbeda masing-masing 50 nm, 75 nm, 100 nm, 150 nm, dan 200 nm. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 8a, b, kami memberikan TC terbalik dari OPG-LZ dan OPG-LA pada berbagai suhu sebagai fungsi dari panjang sampel terbalik. Mirip dengan efek ekstrapolasi ukuran pada 300 K, konduktivitas termal sampel tak terbatas pada berbagai suhu diekstraksi dengan melakukan prosedur ekstrapolasi. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 8c, d, semua konduktivitas termal konvergensi dinormalisasi oleh TC pada 300 K (κ 0 ).
TC terbalik dari a OPG-LZ, b OPG-LA pada berbagai suhu sebagai fungsi dari panjang sampel terbalik, dan TC relatif (κ /κ 0 ) dari c OPG-L dan d OPG-Z sebagai fungsi suhu. κ 0 adalah TC pada 300 K, yaitu 310 W/mK, 332 W/mK, 247 W/mK, dan 227 W/mK untuk κ OPG-LZ , κ OPG-LA , κ OPG-ZZ , dan κ OPG-ZA , masing-masing
Gambar 8 menunjukkan bahwa di sepanjang arah zigzag dan kursi berlengan, TC menurun dengan meningkatnya suhu untuk OPG-L dan OPG-Z. Tren TC bervariasi dengan suhu (dari 200 hingga 500 K) sesuai dengan studi TC sebelumnya tentang graphene [8, 36, 47]. Fenomena ini berasal dari peningkatan proses hamburan Umklapp yang memainkan peran penting dalam transportasi panas [8, 36, 47]. Selain itu, saat suhu bervariasi dari 300 hingga 500 K, κ OPG-LZ , κ OPG-LA , κ OPG-ZZ , dan κ OPG-ZA turun masing-masing sebesar 42%, 40%, 36%, dan 37%. Ketergantungan TC dari kedua alotrop karbon ini pada suhu menunjukkan bahwa efek suhu perlu dipertimbangkan untuk aplikasi praktisnya.
Sifat termal dari bahan dua dimensi, misalnya, graphene [48, 49], silicene [34, 50, 51], dan phosphorene [37], sensitif terhadap rekayasa regangan. Telah dilaporkan bahwa TC graphene dengan ukuran kecil berkurang dengan meningkatnya regangan tarik [48], dan TC juga dapat ditingkatkan dengan meningkatkan regangan ketika sampel lebih besar dari 500 m [49]. Ketergantungan TC yang tidak biasa pada ukuran sampel dan regangan dikaitkan dengan persaingan antara hamburan batas dan hamburan fonon-fonon. Selain itu, TC silicene ditemukan meningkat pada regangan tarik kecil tetapi menurun pada regangan besar karena persaingan antara pelunakan fonon dalam mode in-plane dan pengerasan fonon dalam mode out-of-plane [34, 50, 51]. Oleh karena itu, penting dan perlu untuk menyelidiki hubungan antara perilaku TC dan regangan tarik untuk struktur OPG-L dan OPG-Z.
Kami pertama-tama menyelidiki sifat mekanik dari kedua alotrop karbon ini. Ukuran sampel memiliki panjang sekitar 5 nm dan lebar 5 nm. Untuk menghindari gaya ikatan tinggi palsu dan pengerasan regangan nonfisik [52, 53], jarak potong ditetapkan pada (R = S = 1.95 Å). Jarak cut-off dalam potensial Tersoff yang dioptimalkan yang dimodifikasi ini juga konsisten dengan potensial Tersoff sebelumnya (1,8–2,1 Å) [28, 53,54,55] yang digunakan untuk mensimulasikan ikatan C-C. Semua simulasi dimulai dengan merelaksasi konfigurasi atomistik struktur ke keadaan energi potensial minimum. Regangan tarik uniaksial diterapkan dengan laju regangan 0,0002 ps −1 . Perlu dicatat bahwa jarak kesetimbangan antarlapisan graphene (3.4 Å) digunakan untuk mewakili jarak kesetimbangan antarlapisan dari dua struktur. Sifat mekanik dari kedua alotrop karbon ini tercantum pada Tabel 2, dengan perbandingan graphyne dan graphene [56]. Karakteristik superskrip z dan a mewakili lembaran zigzag dan kursi, masing-masing.
Terlihat dari Tabel 2 bahwa sepanjang arah zigzag, modulus Young dari OPG-L dan OPG-Z adalah 538 GPa dan 492 GPa, dan sepanjang arah kursi, modulus Young masing-masing adalah 648 GPa dan 550 GPa. Hal ini menunjukkan bahwa modulus Young dari OPG-L dan OPG-Z mendekati modulus graphyne (503.1 z dan 525.0 a ) tetapi lebih rendah dari graphene (856,4 z dan 964.0 a ). Hubungan tegangan-regangan dari dua alotrop karbon sepanjang zigzag dan arah kursi ditunjukkan pada Gambar. 9. Menurut perilaku fraktur dari dua alotrop karbon ini, kita selanjutnya mendapatkan regangan akhir (ketegangan) dari dua alotrop karbon ini. Masing-masing, sepanjang arah zigzag, regangan ultimit (ketegangan) OPG-L dan OPG-Z adalah 17,2% dan 10,9%, dan sepanjang arah kursi, regangan ultimit (ketegangan) adalah 8,7% dan 7,9%. Kami menemukan bahwa struktur OPG-L memiliki kekuatan yang lebih tinggi di bawah regangan tarik dalam arah zigzag. Namun, dibandingkan dengan graphyne dan graphene, regangan akhir (tegangan) dari dua alotrop karbon lebih rendah.
Hubungan tegangan-regangan dari dua alotrop karbon di sepanjang arah zigzag dan kursi berlengan
Kami kemudian mempelajari efek regangan pada TC dari dua alotrop karbon ini dengan menerapkan regangan tarik uniaksial sepanjang arah perpindahan panas. Sampel simulasi memiliki lebar 3 nm yang sama tetapi panjangnya berbeda masing-masing 50 nm, 75 nm, 100 nm, 150 nm, dan 200 nm. Konduktivitas termal sampel tak terbatas pada berbagai regangan diekstraksi dengan melakukan prosedur ekstrapolasi (lihat Gambar 10a, b). Seperti diilustrasikan pada Gambar. 10c, d, semua konduktivitas termal konvergen dinormalisasi oleh TC bebas tegangan pada 300 K (κ 0 ), kami selanjutnya memberikan TC relatif (κ /κ 0 ) dari dua alotrop karbon sebagai fungsi dari berbagai regangan uniaksial. Gambar 10 dengan jelas menunjukkan bahwa TC dari OPG-L dan OPG-Z menurun secara monoton dengan meningkatnya regangan tarik, yang konsisten dengan penelitian sebelumnya pada graphene [34, 48] tetapi sangat kontras dengan silicene [34, 50, 51] dan fosforen [37]. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 10, pengurangan maksimum κ OPG-LZ , κ OPG-LA , dan κ OPG-ZZ , κ OPG-ZA adalah 49%, 44%, 37%, dan 31%, masing-masing. Khususnya, TC OPG-L sepanjang arah zigzag dapat disetel melalui regangan dalam rentang yang luas.
TC terbalik dari a OPG-LZ, b OPG-LA pada berbagai regangan uniaksial sebagai fungsi dari panjang sampel terbalik, dan TC relatif (κ /κ 0 ) dari c OPG-L dan d OPG-Z sebagai fungsi regangan. κ 0 adalah TC bebas tegangan pada 300 K, yaitu 310 W/mK, 332 W/mK, 247 W/mK, dan 227 W/mK untuk κ OPG-LZ , κ OPG-LA , κ OPG-ZZ , dan κ OPG-ZA , masing-masing
Untuk lebih menjelaskan efek regangan pada sifat transpor termal OPG-L dan OPG-Z, kami menghitung VDOS fonon OPG-LZ pada regangan tipikal. VDOS dihitung dengan transformasi Fourier dari fungsi autokorelasi kecepatan atom. Fungsi tersebut didefinisikan sebagai berikut:
$$ P\left(\omega \right)=\frac{1}{\sqrt{2\pi }}\underset{0}{\overset{\infty }{\int }}{e}^{i\ omega t}\left\langle \sum \limits_{j=1}^N{v}_j(t){v}_j(0)\right\rangle dt, $$ (6)Seperti yang diilustrasikan pada Gambar. 11, pelunakan fonon (pergeseran merah) dalam arah dalam dan luar bidang diamati. Fenomena ini sesuai dengan penelitian sebelumnya di graphene di bawah regangan tarik [34, 48]. Khususnya, dibandingkan dengan VDOS dalam arah luar bidang, pelunakan fonon dalam arah bidang tampak jelas. Hal ini menunjukkan bahwa penurunan TC OPG-L dan OPG-Z terutama disebabkan oleh pelunakan fonon yang diinduksi regangan dalam arah dalam bidang.
a . di dalam pesawat dan di luar pesawat b VDOS OPG-L versus regangan tarik uniaksial sepanjang arah zigzag
Singkatnya, simulasi EMD dan rNEMD telah dilakukan untuk menyelidiki sifat termal dari dua alotrop karbon 2D baru yang terdiri dari segi delapan dan segi lima. Ukuran, suhu, dan efek regangan pada TC diperoleh. Hasil kami mengungkapkan bahwa TC meningkat secara monoton dengan bertambahnya ukuran. Konduktivitas termal ukuran tak terbatas diperoleh dengan hubungan linier dari panjang terbalik dan TC terbalik. TC terkonvergensi yang diperoleh dengan ekstrapolasi dalam metode dinamika molekul non-kesetimbangan terbalik ditemukan sesuai dengan yang ada dalam metode dinamika molekul keseimbangan. TC yang jauh lebih rendah, dibandingkan dengan graphene, dikaitkan dengan kecepatan grup fonon yang lebih rendah dan jalur bebas rata-rata fonon. Temuan kami memberikan wawasan penting tentang efek ukuran, suhu, dan regangan pada sifat transpor termal OPG-L dan OPG-Z, dan menunjukkan aplikasi potensial dalam perangkat manajemen termal di bidang mikro/nanoelektronik.
Cincin beranggota lima-lima-delapan
Octagon and pentagon graphene-line
Octagon and pentagon graphene-zigzag
Reverse non-equilibrium molecular dynamics
Thermal conductivity
Vibrational density of states
bahan nano
Abstrak Pendekatan tip-based nanomachining (TBN) telah terbukti menjadi teknik yang kuat dan layak untuk pembuatan struktur mikro. Simulasi dinamika molekul (MD) telah banyak diterapkan dalam pendekatan TBN untuk mengeksplorasi mekanisme yang tidak dapat diungkapkan sepenuhnya oleh eksperimen. Maka
Abstrak Dalam makalah ini, simulasi dinamika molekul dilakukan untuk menyelidiki mekanisme pemotongan selama proses pemesinan hibrid yang menggabungkan asisten termal dan getaran. Model pemotongan yang dimodifikasi diterapkan untuk mempelajari perilaku pemindahan material dan pembentukan kerusakan
Abstrak Selama proses pemotongan nano, galium arsenida monokristalin dihadapkan pada berbagai deformasi dan kerusakan permukaan/bawah permukaan yang secara signifikan mempengaruhi kinerja produk. Dalam makalah ini, simulasi dinamika molekuler nano-cutting pada gallium arsenide dilakukan untuk menge
Dalam artikel ini kita akan membahas tentang Klasifikasi baja. Berbagai Jenis Baja didefinisikan atas dasar yang berbeda. Kita juga akan belajar tentang konstituen baja , apa kandungan baja tahan karat dan masih banyak lagi. Mari kita lihat klasifikasinya. Klasifikasi Baja Menurut IS :7598-1974
