碳纳米管的可控长度拾取及导电性分析

拾取指定长度的半导体性碳纳米管对大规模制造碳纳米管场效应管具有重要意义.本文提出了一种利用原子力显微镜探针和钨针对碳纳米管进行可控长度拾取的方法并进行了碳纳米管导电性分析.在扫描电子显微镜下搭建微纳操作系统,针对切割操作过程中原子力显微镜探针、钨针和碳纳米管的接触情况进行了力学建模和拾取长度误差分析.建立了单根金属性碳纳米管、单根半导体性碳纳米管及碳纳米管束与钨针接触的电路模型,推导了接入不同性质碳纳米管后电路的电流电压特性方程.使用原子力显微镜探针对碳纳米管的空间位姿进行调整,控制钨针对碳纳米管上目标位置进行通电切割,同时获取切割电路中的电流电压数据.实验结果表明,本文提出的方法能够有效控制所拾取碳纳米管的长度,增加碳纳米管与原子力显微镜探针的水平接触长度能够减小碳纳米管形变导致的拾取长度误差,建立的电流电压特性方程能够用于分析碳纳米管的导电性.     

一种基于碳纳米管的随机存储器

利用碳纳米管之间范德瓦耳斯力,设计了一种基于碳纳米管的可读写的随机存储器,研究了系统的双稳性,讨论了存储器的优点和可行性,并得出系统具有良好存储效应所应满足的条件 关键词： 碳纳米管 范德瓦耳斯力 动态随机存储器     

单壁碳纳米管内流体流动的手性效应

纳米尺度范围内流道分子结构形成的粗糙度将会影响其中的流体流动。本文采用分子动力学方法,以氩为工质,模拟了不同手性的单壁碳纳米管（SWCNT）内流体的流动。结果表明：由于范德瓦耳斯力的作用,流体分子与壁而间有一定的距离。可以看出在壁面附近有两个明显的分层,这是纳米流动中持有的流体密度分层现象。由于不同手性碳纳米管的分子排...     

热力耦合作用下双层碳纳米管的扭转屈曲

考虑碳纳米管周边弹性介质和层间范德瓦耳斯力的作用,利用连续介质力学的壳体理论,建立了热力耦合作用下碳纳米管屈曲问题的控制方程,给出了相应的临界屈曲扭矩的解析解.数值模拟结果表明,在低温和室温环境下,碳纳米管的临界屈曲载荷随着温度变化量的增加而提高;在高温环境下,碳纳米管的临界屈曲载荷随着温度变化量的增加而降低. 关键词： 碳纳米管 屈曲 热力耦合     

几种范德瓦耳斯铁电材料中新奇物性的研究进展

铁电材料因具有电场可调的自发极化,在各类功能器件中有着广泛的应用.受器件小型化发展趋势的影响,二维范德瓦耳斯铁电材料及其层状母体块材成为了铁电领域的重点研究对象之一.近年来,研究人员已经制备出了数种二维范德瓦耳斯铁电材料,并通过理论计算与实验结合的方法发现这些材料及其母体块材具有许多优良的、新奇的物理性质.本文主要介绍近年来几种范德瓦耳斯铁电材料的一些研究进展,包括体相范德瓦耳斯材料CuInP₂S₆的新奇物性的理论预测与实验证实,以及两类二维范德瓦耳斯铁电材料M₂X₂Y₆(M=金属, X=Si, Ge, Sn, Y=S, Se, Te), QL-M₂O₃ (M=Al, Y)及相关功能器件的理论设计,最后对范德瓦耳斯铁电材料蕴含的丰富物理内涵及其发展前景进行了简要探讨,希望能够为该领域的相关研究提供一些思路和参考.     

表面物理第六讲 气体在固体表面的吸附

吸附表面和吸附物质多种多样,通常把吸附分为物理吸附和化学吸附两类.物理吸附主要是由于范德瓦耳斯力的作用,其吸附热远小于1eV,典型的实例是各种惰性气体的吸附.化学吸附是由于化学力的作用,即固体表面原子与吸附分子间形成化学键,其吸附热约为1eV,例如各种分子解离吸附.物理     

多壁碳纳米管与金属表面间接触行为的分子动力学模拟

碳纳米管与金属表面间的界面接触行为对碳基电子器件的性能研究具有重要意义.本文利用分子动力学模拟方法研究了端部开口和闭口的多壁碳纳米管与金属表面间的界面接触构型和粘着强度.模拟结果表明,多壁碳纳米管在金属表面上的位置和形状变化是因为减少的范德瓦耳斯能转变成碳纳米管的内能;多壁碳纳米管与金属表面的结合能为负值,表明两者存在粘着作用;多壁碳纳米管水平地接触金属表面时的粘着强度受初始间距、接触长度和金属种类影响,即范德瓦耳斯能作用的初始间距阈值约为1 nm且最终平衡状态时的两者间距约为0.3 nm;随着两者接触长度增加,粘着强度增大,铂与碳纳米管的粘着强度比钨和铝的大;端部开口和闭口的碳纳米管与金属表面垂直接触时的粘着强度都比水平接触时的小,两端开口的碳纳米管在金属表面上发生径向压缩变形,最终形成带状结构;而两端封闭的碳纳米管在金属表面上发生轴向压缩变形;在碳纳米管场效应晶体管中,两端开口的多壁碳纳米管与单壁碳纳米管一样变形成带状结构,并且各个管壁之间以及最外层管壁与金属电极之间的间距相当,该原子尺度的间距(约0.34 nm)保证电子从金属隧穿到最外层管壁,并在内层管壁之间径向迁移.     

单层二硫化钼多相性质及相变的第一性原理研究

本文基于密度泛函的第一性原理,并引入范德瓦耳斯力修正,研究了单层二硫化钼2H,1T,ZT三种相的电学性质及相变原理.首先通过结构弛豫确定了三种相的几何结构,能带和态密度计算证实1T相具有金属性质,ZT相具有半导体性质,带隙为0.01 eV.然后结合变形势理论计算了2H和ZT相的迁移率,ZT相的迁移率高达104cm~2·V~(-1)·s~(-1),进一步拓展了单层二硫化钼的应用范围.最后通过对比三种相吸附锂原子结合能,计算2H-1T相变能量曲线,解释了引起二硫化钼相变的原因.本文的研究结果将对单层二硫化钼实验制备表征以及相关光电器件性能分析提供重要参考.     

电场对graphene/InSe范德瓦耳斯异质结肖特基势垒的调控

半导体与金属接触是制作纳电子和光电子器件时非常重要的问题,接触类型对器件的功能实现和性能影响很大.为了制备高性能多功能化器件,就必须对界面处的势垒高度和接触类型进行调控.采用基于密度泛函理论的第一性原理计算研究了外电场作用下graphene/In Se范德瓦耳斯异质结的电子结构.计算结果表明异质结中的graphene和In Se保留了各自的本征电子性质,在界面处形成了欧姆接触.外电场可以有效调控graphene/In Se异质结中的肖特基势垒,不但可以调控肖特基势垒的高度,而且可以调控界面接触类型.外电场还可以有效调控graphene和In Se界面电荷转移的数量和方向.     

二氧化硅及其硅烷自组装膜微观摩擦力与粘着力的研究(Ⅱ)粘着力的实验与分析

使用原子力/摩擦力显微镜,在5%—99%相对湿度范围,研究了二氧化硅和二氧化硅基体上十八烷基三甲氧基硅烷自组装膜(简称OTE SAM/SiO₂)表面粘着力随湿度的变化规律.实验表明,二氧化硅表面的粘着力随湿度的增大先逐渐增大,然后急剧减小.相反,OTE SAM/SiO₂由于其良好的斥水性,表面的粘着力随湿度的增大基本不变.着重从基本界面力,即表面张力、范德瓦耳斯力和基本键合力的形成与变化,分析了二氧化硅表面粘着力随湿度的增大先增后减的原因,探讨了粘着力的产生机理 关键词： 固体表面的物理性能 分子膜 纳米摩擦学     

Electrostatic and van der Waals forces in the air contact between the atomic force microscope probe and a conducting surface

Electrostatic and van der Waals forces of interaction between commercial probes of atomic force microscopes (AFMs) and conducting surfaces under atmospheric conditions are measured using contact atomic force microscopy. An algorithm of statistical processing of the initial photocurrent-displacement dependences is developed, which makes it possible to transform these dependences into the force-distance dependences. The Hamaker constant at the platinum (probe)-graphite (sample) contact is determined. It is shown that the measurement of electrostatic forces makes it possible to determine geometrical parameters of the AFM probe and to independently calibrate the stiffness of the cantilever.     

单壁碳纳米管受限空间内水的分布

碳纳米管管腔作为分子物质的纳米通道,其储存或输送水的能力具有重要研究价值.为了研究碳纳米管管腔受限空间对水分子团簇结构和分布的影响,本文采用分子动力学方法探究了管径、手性和温度对单壁碳纳米管管腔内水的结构和分布的影响.结果表明:在常温下,管径尺寸范围为1.018—1.253 nm的单壁碳纳米管管内易形成有序的多元环水结构,此范围以外碳纳米管管内难以形成水的有序结构;且随着管径尺寸增大,多元环水呈现由三元环至六元环的结构变化;范德瓦耳斯势分布分析表明,在上述管径范围内,水分子趋向于贴近碳纳米管管壁分布而形成水的有序结构.对比管径尺寸差别较小的碳纳米管,其手性对多元环水结构影响不大.多元环水结构的稳定性表现出温度依赖性,管径较大的碳纳米管内的多元环水的有序结构更易随温度升高而消失.     

Nonlinear structural mechanics based modeling of carbon nanotube deformation

A nonlinear structural mechanics based approach for modeling the structure and the deformation of single-wall and multiwall carbon nanotubes (CNTs) is presented. Individual tubes are modeled using shell finite elements, where a specific pairing of elastic properties and mechanical thickness of the tube wall is identified to enable successful modeling with shell theory. The effects of van der Waals forces are simulated with special interaction elements. This new CNT modeling approach is verified by comparison with molecular dynamics simulations and high-resolution micrographs available in the literature. The mechanics of wrinkling of multiwall CNTs are studied, demonstrating the role of the multiwalled shell structure and interwall van der Waals interactions in governing buckling and postbuckling behavior.     

Manipulation and soldering of carbon nanotubes using atomic force microscope

Manipulation of carbon nanotubes (CNTs) by an atomic force microscope (AFM) and soldering of CNTs using Fe oxide nanoparticles are described. We succeeded to separate a CNT bundle into two CNTs or CNT bundles, to move the separated CNT to a desirable position, and to bind it to another bundle. For the accurate manipulation, load of the AFM cantilever and frequency of the scan were carefully selected. We soldered two CNTs using an Fe oxide nanoparticle prepared from a ferritin molecule. The adhesion forces between the soldered CNTs were examined by an AFM and it was found that the CNTs were bound, though the binding force was not strong.     

On the compressive response of carbon nanotube tangles

The nonlinear bulk compressibility of entangled multiwalled carbon nanotubes is studied. The analogy with textile fibre assemblies is explored by means of the well established van Wyk model. In view of the small diameter of the nanotubes, the possible effect of adhesive van der Waals interactions at tube-tube contacts is analysed. It is found, however, that the contribution of adhesive contacts to the bulk stress should be negligible. Compression experiments are performed on multi-walled carbon nanotubes and show that van Wyk's model is able to describe the response, although the values of the dimensionless parameter k of van Wyk's model were lower than expected. There is indeed no indication that van der Waals interactions play any significant role.     

范德华力的广义参变本构模型及其在碳纳米管计算中的应用

提出了处理非成键原子间范德华力的广义参变本构模型以及基于此进行碳纳米管结构力学行为数值模拟的数学规划算法.纳米管中原子间短程力作用采用分子结构力学模型来模拟，而作为长程力的范德华力用杆单元来模拟，这类杆单元有着特殊的非线性本构关系.对于这种非线性问题的处理，建立了广义参变本构模型与参数二次规划求解算法.与一般的数值方法相比较，本方法不需要传统的冗长的、反复的迭代，并具有非常好的收敛性，因此为碳纳米管结构力学行为的有效预测提供了保障.数值结果证明了这种方法的正确性和有效性. 关键词： 广义参变本构模型 数学规划算法 分子结构力学 有限元法     

A cohesive law for multi-wall carbon nanotubes

We have established the cohesive law for carbon nanotube (CNT) walls in multi-wall CNTs. The interactions between CNT walls are characterized by the van der Waals force. The tensile cohesive strength and cohesive energy are given in terms of the area density of CNT and parameters in the van der Waals force. For an infinitely long CNT, the shear cohesive stress between CNT walls vanishes, and the tensile cohesive stress depends only on the opening displacement. For a finite CNT, the tensile cohesive stress remains the same, but the shear cohesive stress depends on both opening and sliding displacements, i.e. the tension/shear coupling. The simple, analytical expressions of the cohesive law are useful to study the interaction between walls in multi-wall CNTs.     

范德华力对双壁碳纳米管轴向压缩屈曲行为的影响

使用分子动力学方法研究几种不同半径尺寸的单壁碳纳米管组成的双壁碳管，预测了其初始稳定构型；分析了其自由弛豫阶段的特征；并模拟了它们在轴向压缩载荷作用下的屈曲行为；研究了不同层间距导致的范德华力变化对屈曲行为的影响.采用Tersoff-Brenner势描述单壁碳纳米管内原子间作用，Lennard-Jones势描述内外层间的范德华相互作用.计算结果表明：在通常意义下的双壁管间距(约0.34 nm)外还可以存在稳定的双壁碳管构型，并且这些新的稳定构型表现出了不同的力学性质. 关键词： 双壁碳纳米管 分子动力学 屈曲