碳纳米管与硅基底吸附性能的拉伸分子动力学研究

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作为计算机模拟中非常重要的一种方法,分子动力学模拟在许多领域扮演着非常重要的角色。依据此模拟技术对碳纳米管和硅组成的系统进行了一系列的研究,模拟了碳纳米管在硅板上剥离和剪切的两个过程。在剥离部分主要讨论了碳纳米管的拉伸速度、半径、长度和缺陷对剥离力的影响,剥离角度与最大剥离力的关系;在剪切部分主要讨论了拉伸速度、碳纳米管半径以及两种常见缺陷对剪切的影响。首先,系统地介绍了分子动力学模拟技术的基本原理,对该技术中所涉及的主要概念做了详细的介绍。接着对文中涉及的模拟相关细节进行了总结,包括势函数的选择,单位的统一,时间步长的选择。其次,采用拉伸分子动力学方法研究了单壁碳纳米管(8,8)在室温下从硅基板上以不同角度被剥离的过程。当碳纳米管(CNT)在硅基底上被剥离时,剥离距离X和理想弹簧所测平均剥离力F之间呈现一定规律的关系曲线,并出现了较大的正、负峰值。随着剥离角度的不断增加,最大剥离力呈现下降的趋势,这和剥离的理论模型吻合较好。比较了不同剥离速度下的平均剥离力,并拟合了其峰值与速度的关系。拉伸分子动力学模拟结果显示,所需剥离力的最大值与速度之间呈现一定的线性关系。我们还讨论了碳纳米管长度和半径对剥离过程的影响,研究表明所需最大的剥离力与CNT的长度无关,但随CNT半径的增加,需要的最大剥离力线性增加。在研究碳纳米管缺陷对剥离的影响时,我们发现,5-7-7-5缺陷对剪切力影响较小,而半径变化缺陷对其影响较大。最后,采用拉伸分子动力学方法研究了室温下单壁碳纳米管在硅基板上作剪切运动的过程。比较了不同剪切速度下的平均剪切力,并拟合了剪切力与速度的关系,结合相应的理论公式,得出了吸附作用下的能量势垒和跃迁状态与平衡状态的间距。拉伸分子动力学模拟结果显示,剪切力与速度之间呈现一定的线性关系,模拟结果同生物物理学上类似的剥离实验结果吻合较好,但相比于高分子,CNT和硅组成的界面吸附性能更强。研究还表明:所需剪切力随CNT半径的增加,需要的剪切力线性增加;与剥离部分类似,5-7-7-5缺陷对剪切力影响较小,而半径变化缺陷对其影响较大。研究结果在原子尺度对未来的试验进行了理论预测,为碳纳米管在硅微电子工业中的应用提供了一定的理论基础。
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