شبيه سازي رفتار مكانيكي و حرارتي تك لايه هيبريد گرافن - نيتريد بور

كارشناسي ‌ارشد

اولين ماده دوبعدي شناخته شده در دنيا گرافن با ساختار شش ضلعي شامل اتم‌هاي كربن مي‌باشد. به دنبال آن نيتريد بور دو بعدي كه ساختاري مشابه با گرافن و داراي اتم‌هاي نيتروژن و بور است شناسايي شد. خواص مشابه فوق‌العاده و شباهت ساختاري بين اين دو ماده و همچنين تفاوت‌هاي بينشان باعث به وجود آمدن خواصي جديد در تركيب اين دو ماده در علم نوين شده است و توجه بسياري از محققان را به اين موضوع سوق داده است. گرافن از نظر خواص الكتريكي فلز يا نيمه فلز است در صورتي كه نيتريد بور يك عايق با باند گپ 9/5 الكترون-ولت است. تركيب اين دو ماده باعث باز كردن باند گپ در گرافن مي‌شود كه در ساخت ترانزيستورهاي اثر ميدان پايه گرافني بسيار پركاربرد مي‌باشد. در اين پايان نامه ابتدا به بررسي خواص مكانيكي گرافن و نيتريد بور خالص پرداخته شده و سپس با تركيب دو ماده به صورت لب به لب، به بررسي تأثير آرايش فصل مشترك دو ماده بر روي خواص مكانيكي آن‌ها پرداخته شده است. همچنين تغييرات مدول يانگ، كرنش و استحكام شكست هركدام از دو ماده و تركيب آن‌ها موردبحث و بررسي قرارگرفته است. در ادامه با استفاده از شبيه‌سازي ديناميك مولكولي به بررسي خواص مكانيكي نانو ورق‌هاي هيبريدي گرافن-نيتريد بور لب به لب در حضور عيوب مختلف پرداخته شده است. دو نوع عيب شامل حفرات دايروي و مربعي در ساختار ايجاد شده است. در كار حاضر ابتدا اثر افزايش قطر، طول حفرات(دايروي و مربعي) و افزايش تعداد حفرات بر ساختار مذكور و همچنين اثر حضور اين عيوب در مكان‌هاي مختلف تركيب گرافن-نيتريد بور بررسي و مورد بحث قرار گرفته است. نتايج نشان مي‌دهد كه حضور حفرات در ساختار باعث افت خواص مكانيكي اعم از استحكام و كرنش شكست و مدول يانگ مي‌شود، اما اثر آن روي مدول يانگ به مراتب كمتر از دو پارامتر مكانيكي ديگر مي‌باشد. همچنين نشان داده شده است كه عيوب حفرات دايروي تأثير كمتري نسبت به عيوب حفرات مربعي بر روي خواص مكانيكي گذاشته است. به طور نمونه استحكام شكست، با ايجاد حفرات دايروي با قطر 10 آنگستروم در تركيب گرافن-نيتريد بور در ناحيه گرافن چپ(GFL) نسبت به ساختار بدون عيب، 20 درصد كاهش مي‌يابد در صورتي كه مدول يانگ تحت همين شرايط 10 درصد افت كرده است. همچنين اثر سه نوع شكاف بر روي خواص مكانيكي تركيب گرافن – نيتريد بور به طوري كه يك نوع شكاف در جهت آرمچير و دو نوع شكاف در جهت زيگزاگ ايجاد مي‌شود، مورد بررسي قرار گرفته است. نتايج حاكي از آن است كه ساختار در حضور شكاف‌هاي طولي خواص مكانيكي مطلوب‌تري را نسبت به دو شكاف عرضي ديگر از خود نشان مي‌دهد. دليل اين برتري را مي‌توان به جهت كشش ساختار نسبت داد، بدين گونه كه وقتي شكاف ايجاد شده در جهت كشش باشد، خواص مكانيكي مطلوب‌تري را به دنبال دارد. گفتني است كه اثر عيوب مختلف در ساختار هيبريدي گرافن – نيتريد بور بر روي مدول يانگ به مراتب پايين تر از اثر آن بر روي استحكام و كرنش شكست مي‌باشد. در ادامه اثر اين نوع عيوب در مكان‌هاي مختلف و با اندازه‌هاي مختلف مورد بحث و بررسي قرار گرفته است. همچنين در پايان اثر دما و نرخ كرنش در تركيب گرافن- نيتريد بور بدون عيب و در حضور شكاف طولي مورد بحث قرار گرفته است و نشان داده شده است كه با افزايش دما در حضور نواقص، خواص مكانيكي كاهش مي‌يابد در صورتي كه با افزايش نرخ كرنش، خواص مكانيكي افزايش مي‌يابد. واژه‌هاي كليدي: گرافن، نيتريد بور، تركيب گرافن-نيتريد بور، خواص مكانيكي و خواص حرارتي

191238

دانشگاه علم و صنعت ايران

مهندسي فناوري نانو - نانو مواد

دكتر صادق صادق زاده - دكتر ميثم جلالي