1

2

ضوع:مو

ی در ص مکانیک

ی خواس

برر

ن(ی)گراف

ساختار جدید کربناستاد راهنما:

جناب

ضآقای دکتر دشتبیا

بهار

تهیه کننده:1394

میالد مستاجران

:تاریخچه آلوتروپ های

کربن:

الماس، گرافیت،، گرافن

 کربن بی شکل

فیلیپ واالس ۱۹۴۷نخستین بار در سال  و  مکانیِکC آماری درقضیه مرمین-واگنرطبق قضیه ای به نام

نظریه میدان هایC کوانتومی:است.غیر پایدار و چنین ماده ای غیر ممکن ساخت یِک ماده دوبعدی

کنستانتین نووسلف و آندره گایم، ۲۰۰۴در سال C یکی از ( Graphene)گرافن  است.آلوتروپهای کربن: نام  Cاتم هایCکوواالنسی کربن، با سه چهارظرفیتی Cپیوند Cکربن C  به سه اتم

دیگر متصل شده اند و یِک شبکه گسترده را تشکیل داده اند.

4

دوبعدی با یِک الیه منفرد شبکه النه زنبوری کربنی: ساختارنانو ساختار های کربنی تِک الیه گرافن است که از خود خواص شبه فلزی نشان

می دهد. نانومتر می باشد.۰٫۳۳۵ فاصله بین صفحه ای

نانومتر است.۰٫۱۴۲طول پیوند کربن ـ کربن در گرافن در حدود بر هم کنش بین این صفحات از نوع واندروالسی

رسانندگی الکتریکی و رساننده گرمایی، چگالی باال و تحریِک پذیری حامل خواص: های بار، رسانندگی اپتیکی و خواص مکانیکی

درجه سانتی گراد350در دمای بسیار پایین می سوزد بر سانتی متر مربع با مقاومتی از 10^13چگالی حامل بار در گرافن از مرتبه

اهم- سانتی متر است.10^6مرتبه

:مقدمه

شبکه بندی گرافن:5

الیه 5-10گرافن

گرافن کم الیه

الیه30-20بین گرافن چند الیه،

یا ضخیم)نانو بلورهای

نازک گرافیتی)

6

Optical Image of Graphene SheetSEM Image of Graphene Sheet

7Graphene Aerogel

یکی از مواد فوق العاده سبِک با چگالی بسیار پایین است و خاصیتآبگریزی دارد. به نسبت مواد تجاری موجود ظرفیت تحمل باالی نیرویی را دارا است که استفاده از این ماده میتواند در روند پاکسازی محیط زیست

هم کمِک موثر باشد.آئروژل گرافن توسط کاهش خیلی زیاد غلظت در اکسید گرافن ساخته

شده است.:کاربرد

باتری، سنسور های الکتروشیمیایی، جذب آالینده های نفتی و مواد آلی

Diameter: 2.1 cmHeight 1.5 cmWeight: 65 milligramsPrice: 125$Properties:Density: 10-15 mg/cm3

SEM Graphene Aerogel

8

Raman Spectrum of Graphene on

Aluminum Foil

SEM Images of Graphene on Aluminum Foil

Aluminum Foil 9 x 8.5Thickness:16 micronGraphene coating: 3.5 micron

:خواص مکانیکی موجود در گرافن9 گرافن درمقادیر کم به مواد پالستیِک و فلزی اضافه می شود و کامپوزیت

های مستحکم و سبکی را تشکیل می دهند..چگالی پایین، با استحکام باال، انعطاف پذیری زیاد و در عین حال آبگریز اگر در یِک ماده پلیمری تنها یِک در صد گرافن اضافه کنیم میتوان ماده ای

رسانا بدست آوریم. کشسان تر است.20نسبت به طول اول خود % برابر سخت تر از فوالد.300سخت از الماس و

10

:عیوب در گرافن با اـستفاده از تجربـیات و ـشواهد مـستقیم در خوصوـصیات ـگرافن

ـبه این ـنتیـجـه رـسیدـه اـند ـکه ـدر ـگرافن عیب دـر لـبهـ بوـجود مـی آـید ـولی ـبا اـستفاده اـز انـجام توپولـوژیـهایـ مختـلف درـیافـتـند ـکه این ـعیب می ـــباشـــد. هـــا اـتم خـــالی جــــای صـــوـرت بـــه

در د میتواـن ه ـشدت ـب ه لـب در ود عیب وـج دگاه دـی این ه ـب ه توـج ا ـباثیر داـشته ـت انیکی ا رـسانایی و مـک ـی الی انتـق د ـخواص ـخواص مانـن

باشد.خواص به ادامه Zigzagو Armchair NanoRibbonsدر

NanoRibbons .میپردازیم

NanoRibbons:

11:بررسی خواص با روش محاسبات

ـتابع چـگالی در این روش ـبا اـستفاده از تـئوری (DFT) تـقریب ـشیب تعمیم اـست؛ ـکه در ایـن ـشبـیه ـسازی ازـ

اـستفاده ـشده اـست. ـکه ـبا دوقـطبی ـبودن ( GGA)یافـته مـجموـعه پـاـیه ـمـداریـ ـبرـای فـضاـی یکـپارـچه واقعی ـمرز بـندیـ )مش(ـ درـ نـظر گـرفـته مـیـگیریم. وـ ـموقعیت اتمی را توـسـط ـبه ـکارگیری از ـیِکـ الـگوـریتم گرادـیان ـمزدوج ه ـب اتم ر ـب ا ـنیروـه ه ـک انی ا زـم ـت ه ـساـزی ـکرده بهیـن هـ ـک

برسـد.0/01Aـکمتر از ِک ـی از ازی مدلـس این روش ه ـب یدن بخـش ار اعتـب برای

ـرای ـمحاـسبه ـخواص ـگرافن ـب اتمی ارـ ـسلوـل واـحد چـهـاستفاده ـمی کـنیم.

12ZGNRs & AGNRs:

برای محاـسبه در ـحالت آزاد ـموقیتـاتمی فاـصله تـعـادل بـین پیوـند ـکربن-

در نظر میگیرم.1.43Åکربـن را حــالت دو در را هــا المــان حال

قـرار سـاده کشـشـ تحـت فـ مختـلدـاده ـو نـموـداـر رـا ـتـرـسیمـ نـمـود؛ ـکه ـبا

ـ»ـمدول یاـنگ« ـاـستـفادـهـ از مـیـ ـتوان رـا ـاز رـوـش محـاـسباـت ـعدـدی بدـست

E=1.05 Tpaآورـیم.

:AGNRsو ZGNRsساختار هندسی در13

14 رای ـب الزم ای پارامترـه ناخت ـش ه ـب از نـی ط رواـب آورد بدـست جهت

محاسبات می باشد.a ـعرض الـمان : W ـماکزیمم فاـصه ی اتم ـهای :

کربن می باشد. الزم ـبه توـضیح اـست ـکه انتـهای اتم ـهای ـکربن اتم هـیدروژن وـجود

دارد ـبرای ـغیر فـعال ـکردن، در ـکل ـشبکه ـبه ـصورت متـناوب اـست و در انتها به صورت غیرمتناوب می باشد.

30در اینجا شبکهx1x1.درنظرگرفته شده

:AGNRsو ZGNRsپارامتر کاربردی در

:با توجه به اثرات پواسون16 در حالتzigzag :

می ـشود y منـجر ـبه ـکرنش کشـشی در جهت xکرنش فـشاری در جهت .unrelaxed بزرگتر ـاز عرض ـخود ـمیباشد دـر حالتـ realـاز این رو عرض

در حال armchair:

ه ـکرنش فـشاری در جهت xکرنش مثبت در جهت ـب می ـشود y منـجر .unrelaxed کوچـکتر از ـعرض ـخود اـست نـسبت ـبه ـحالت realپس عرض

و ZGNRsبررسی خواص مکانیکی در 17AGNRs: انیکی مـک داد Nanoribbonخواص امـت در کـشش ه ـب خ پاـس به محاـس ا ـب

محورشان بررسی شده است.

ـکه در ـکرنش ـهای اعـمال ـشده ـبا اـفزایش ـثابت ـشبکه ـباآن اندازه کرنش های اعمال شده می باشد.

داد اـع ا ـب باتمان محاـس در ه ـک ایی آنـج ر Supercellاز ـب ود عـم جهت در ور وـاقعی ـضخامت Nanoribbonمـح ـعرض ه ـب بـت ـنـس ـتیم گرـف درنـظر ـ

Nanoribbon متـفاوت اـست پس ـتنش Supercell ـ طـبق ـاینـ مقـیاس ـبـندیکوـشی) ـتنش مـعادل بر continuumباید وـارد )Graphen Nanoribbon

بدست آید.مـعادل تنش کوـشی توـسط تنشSupercell ـبا b=w ـبرای ـعرض(و ـبا( c=t

هـ ـک مـیـشوـد.ـ ـه گـرفـت نـظر ـدر ـضخـامـت( رایـ و bـ)ـب د cـ واـح ـسلوـلـ اد ابـع (DFT.هستند )

در جهتy و z: w عرض واقعی Nanoribbon نشان داده 2 و 1 میباشد. که در جدول ضخامت است که ما فرض میکنیم. Nanoribbon ضخامت tشد.و

واست که این اندازه معادل است با ضخامت بین الیه ای در گرافیت) .)

ما در اینجا منحنی تنش کرنش می پردازیم که درآنها عرضهای متفاوت وجود دارد.

18

تاثیر اندازه بر روی استحکام در مدول 19:یانگ 4در ـمدول یاـنگ-ZNGR ـباالتر از ـگرافن عـمده ای میباـشد.30 ـحدود %

در گ یاـن دول ـم زایش اـف ه ـک ـالی ـح ـحدود ANGR-4در فـقط االتر 6 ـب %اســـــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــتـ.

ـکاهش ( ـباعث CNTsدر نانولوـله ـهای کرـبنی )ـکاهش قـطر ـدـر مقایـسه ـبا خود میشود.مدول یانگ

ولی درNanoribbon می رود.باالترمدول یانگ کاهش قطر با

محاسبه نسب پوآسون در حالت فشار باتوجه به رابطه روبهرو تعریف میشود.تِک محوره:

: تغییرات عرضی در اثر تحمل کرنش

20 رسم شده 6نسبت پوآسون در حالت فشار تِک محوره، در شکل

است. باتوجه به این شکل مییابیم: درحالتANGR به شدت تاثیر پذیر اندازه است در حالی که در

ZNGR.این چنین نیست با افزایش عرض در حالتANGR نسبت پوآسون خودراکاهش

میدهد.همچنین با افزایش کرنش درهر دو

ZNGR و ANGRنسبت پوآسون کاهش می یابد.

:ANGR و ZNGRمکانیزم شکست در 21( الـگوی مـکانیزم شکـست باتوـجه ـبه ـشبیه ـسازیDFT انـجام می )

شود. در پیوـند ـگرافن ـکه ـبه ـصورتC-C ا ـب د آن کوواالنـسی اـست پیوـن

اـست ـکه این پیوـند ـبا ـبه اـشتراک ـگذاری الـکترون SP2هیبریداـسیون ها شکل گرفته است.

پس انتـظار می رود ـکه درـیِک پیوـند کوواالنـسی چـگالی الـکترون ـباالاـست البـته در امـتداد ـخط اتـصال هـسته اتم واـگر باـند دـچار شکـست

شود چگالی الکترونی به شدت در امتداد این خط کاهش یافته.

22

با استفاده از توزیع چگالی بار الکترون می تواند سطح شکستNanoribbon Grapheneرا تحت بار کششی تِک محوره پیدا

کرد.

ZNGR °60=سطح شکست در* عمودANGRسطح شکست در *

برمحور است.

23

تولیدZNGR و ANGR بسیار دشوار است. بنابراین حالت معرفی می کنیم که ترکیبی از هردو Nanoribbonجدیدی را برای را معرفی و Chiral graphene Nanoribbonمی باشد به نام

بررسی می کنیم.

Chiral graphene nanoribbons:

24Chiral angle of 23:41°:-تنش ودار نـم رو ه روـب شکل

ه ـب ف مختـل ای درحالتـه رنش ـکود واقص موـج ـن تخمین راه هـم

و ایدهآل را نشان میدهد.

25

ار الـکترونی از ـیِک اـیده آل ـبدون nanoribbonsچـگالی ـب° درـجه تحت ـبار ـتِک مـحوره. در 19:11نقص ـبا زاوـیه

c وa ،bحالتهای

:شکل گیری نقص در کایرلها26 این در نقص این Nanoribbonتشـکیل وره مـح ِک ـت فشـار ا ـب ا ـه

نواقص به وجود میآیند.

در فـشار ـهای ـباال ـبه دلـیل تـشکیل ـنواقص زـیاد ـباعث شکـست میشود.

27Source:

Mechanical properties of graphene nanoribbons with disordered edges (1.Alireza Tabarraei 2. Shohreh Shadalou 3. Jeong-Hoon Song)

And the other sources

28