Расчет устойчивости НЭМС аккумуляторов водорода на основе нанолистов BN
|
1 ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ И СТРУКТУРЫ НИТРИДА БОРА 11
1.1. СТРУКТУРА АНАЛОГА ГРАФЕНА НИТРИДА БОРА 11
1.2. НАНОСТРУКТУРЫ НИТРИДА БОРА 11
1.3. СОРБЦИОННЫЕ СВОЙСТВА НАНОСТРУКТУР НИТРИДА БОРА 15
1.4 ПРОЦЕСС СОРБЦИИ НЭМС БИРАДИКАЛОВ ВОДОРОДА 16
2 ТЕОРИЯ И МЕТОДЫ КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ НЭМС
НАНОЧАСТИЦ 19
2.1. РАСЧЕТ ЭНЕРГИИ КВАНТОВЫХ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ
НАНОСИСТЕМ В МЕТОДЕ НЕЛОКАЛЬНОГО ФУНКЦИОНАЛА
ПЛОТНОСТИ. 19
2.2. РЕЛАКСАЦИЯ МЕХАНОХИМИЧЕСКИХ НАНОЧАСТИЦ В МЕТОДЕ
МОЛЕКУЛЯРНОЙ МЕХАНИКИ. 23
2.3 КОМПЬЮТЕРНАЯ МОДЕЛЬ РЕЛАКСАЦИИОШИБКА! ЗАКЛАДКА
НЕ ОПРЕДЕЛЕНА.
3. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ 28
3.1. РАСЧЕТ МЕЖАТОМНЫХ ПОТЕНЦИАЛОВ НАНОЧАСТИЦ МЕТОДОМ
НЕЛОКАЛЬНОГО ФУНКЦИОНАЛА ПЛОТНОСТИ. 28
4 КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РЕЛАКСАЦИИ НЭМС НИТРИДА БОРА МЕТОДОМ МОЛЕКУЛЯРНОЙ МЕХАНИКИ 33
5. АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ КОМПЬЮТЕРНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА 38
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 47
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ: 48
1.1. СТРУКТУРА АНАЛОГА ГРАФЕНА НИТРИДА БОРА 11
1.2. НАНОСТРУКТУРЫ НИТРИДА БОРА 11
1.3. СОРБЦИОННЫЕ СВОЙСТВА НАНОСТРУКТУР НИТРИДА БОРА 15
1.4 ПРОЦЕСС СОРБЦИИ НЭМС БИРАДИКАЛОВ ВОДОРОДА 16
2 ТЕОРИЯ И МЕТОДЫ КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ НЭМС
НАНОЧАСТИЦ 19
2.1. РАСЧЕТ ЭНЕРГИИ КВАНТОВЫХ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ
НАНОСИСТЕМ В МЕТОДЕ НЕЛОКАЛЬНОГО ФУНКЦИОНАЛА
ПЛОТНОСТИ. 19
2.2. РЕЛАКСАЦИЯ МЕХАНОХИМИЧЕСКИХ НАНОЧАСТИЦ В МЕТОДЕ
МОЛЕКУЛЯРНОЙ МЕХАНИКИ. 23
2.3 КОМПЬЮТЕРНАЯ МОДЕЛЬ РЕЛАКСАЦИИОШИБКА! ЗАКЛАДКА
НЕ ОПРЕДЕЛЕНА.
3. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ 28
3.1. РАСЧЕТ МЕЖАТОМНЫХ ПОТЕНЦИАЛОВ НАНОЧАСТИЦ МЕТОДОМ
НЕЛОКАЛЬНОГО ФУНКЦИОНАЛА ПЛОТНОСТИ. 28
4 КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РЕЛАКСАЦИИ НЭМС НИТРИДА БОРА МЕТОДОМ МОЛЕКУЛЯРНОЙ МЕХАНИКИ 33
5. АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ КОМПЬЮТЕРНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА 38
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 47
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ: 48
РЕФЕРАТ
Ключевые слова: молекулярная механика, наноэлетромеханическая система (НЭМС), релаксация, нитрид бора.
Проведено исследование процессов квантовой релаксации НЭМС нитрида бора методом молекулярной механики. Исследован процесс получения НЭМС накопителей и конвертеров водорода на основе нитрида бора. Изучена конверсия бирадикалов водорода в молекулы под действием электромагнитного излучения.
Актуальность
Исследование фундаментальных свойств наноразмерных структур актуально с прикладной точки зрения, в связи с тем, что, оно определяет широкие перспективы практического применения для создания новых материалов с заданными механическими, электрическими, магнитными и оптическими свойствами, а также для разработки качественно новых микроэлектронных приборов [1— 4].
Экспериментальные методы наблюдения структуры наночастиц существуют уже длительное время, однако все они обладают многими недостатками. В результате чего именно компьютерное моделирование становится незаменимым инструментом для изучения внутренней структуры наночастиц.
Проведение компьютерного моделирования позволяет устанавливать взаимосвязь между эффективными характеристиками деформирования на микро — и макроуровнях и параметрами наноструктуры. Теоретическое моделирование в настоящее время стало важным инструментом, участвующим в проектировании наноматериалов, в ряде случаев восполняющим недостаточность экспериментальных данных. [5].
Следует учитывать, что в нанометровом масштабе возникают
совершенно новые эффекты, свойства и процессы, определяемые квантовой механикой, размерным квантованием в малых структурах, отношением поверхности к объёму, а также другими явлениями и факторами. Помимо всего прочего, большинство современных теорий вещества на микронном уровне содержит критические длины нанометрового масштаба. В связи с этим существующие не могут адекватно описывать новые явления на нанометровом уровне [6].
Актуальность данной работы также связана с перспективами использования НЭМС наночастиц как составных частей наноустройств и материалов в нанотехнологиях уже нового поколения.
Объект и инструмент исследования.
Проблемы аккумулирования, хранения и передачи энергии в настоящее время являются многообещающими и перспективными для различного рода исследований. В результате этого все большее внимание уделяется водороду, как эффективному энергоносителю. Он экологически чист, легко возобновляем. Его легче хранить и транспортировать. В качестве эффективных сорбентов для бирадикалов водорода многими исследователями признаны углеродные нанотрубки, нановолокна [7]. Однако, вследствие неполного раскрытия природы, механизмов и характеристик взаимодействия бирадикалов водорода с углеродными материалами наблюдаются невоспроизводимые результаты. Данный факт свидетельствует о необходимости дальнейших фундаментальных исследований в данной области. Поэтому теоретические исследования могут помочь восполнить ряд данных, необходимых для дальнейших экспериментов.
В результате этого возникает важная и серьезная проблема, связанная с компьютерным моделированием наноэлектромеханических систем, выполняющих роль импульсных накопителей энергии жесткого ультрафиолета и мягкого рентгена, совмещающие при этом хорошие сорбционные свойства [8].
Графен является перспективным материалом, так как имеет хорошие сорбционные свойства и при этом имеет запас энергии, как было показано в работе [9]. Данный факт свидетельствует о способности наночастиц графена запасать энергию, следовательно, является хорошим энергоносителем. Бурный всплеск в исследовании графена стимулировал интерес к изучению различных двумерных (2D) наноматериалов [10]. 2D- нитридборные (BN) наноструктуры являются изоэлектрическими аналогами графеновых структур и проявляют очень похожие структурные характеристики, а, также, физические свойства, за исключением большой ширины запрещённой зоны.
Методами исследования в данной работе выбраны метод нелокального функционала плотности и метод квантовой кинетики.
Цель дипломной работы является исследование и компьютерное моделирование межатомных потенциалов наноструктур состава (BN)n методом нелокального функционала плотности с последующим выявлением сорбционных свойств нанолистов нитрида бора
Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:
1) . Построить компьютерные модели композита НЭМС нитрида бора и бирадикалов водорода
2) . Произвести расчет методом нелокального функционала плотности межъядерных а- потенциалов внутри НЭМС нитрида бора и 0- потенциалов меду слоями НЭМС - нитрида бора и бирадикалов водорода.
3) . Провести оптимизацию структуры композита НЭМС нитрида бора и бирадикалов водорода для двух размеров нанолистов и Т = 0К.
4) . Провести анализ устойчивости НЭМС аккумуляторов водорода на основе нанолистов BN
Научная новизна
На основе рассчитанных межатомных потенциалов были построены наноструктуры нитрида бора размером 2.5*2.5 и 5.0*5.0 нм. Был изучен процесс формирования адорбции водорода на монослоях нитрида бора. Были рассчитаны энергии образования бирадикальных сорбатов водорода на монослоях нитрида бора. Методом компьютерного моделирования была показана возможность получения сорбатов бирадикалов водорода на структурных аналогах графена - нитрида бора.
Структура и объем работы. Выпускная квалификационная работа состоит из введения, 5 глав и заключения, 8 таблиц, 10 рисунков, списка литературы, 48 источников. Общий объем работы составляет 57 страниц.
Ключевые слова: молекулярная механика, наноэлетромеханическая система (НЭМС), релаксация, нитрид бора.
Проведено исследование процессов квантовой релаксации НЭМС нитрида бора методом молекулярной механики. Исследован процесс получения НЭМС накопителей и конвертеров водорода на основе нитрида бора. Изучена конверсия бирадикалов водорода в молекулы под действием электромагнитного излучения.
Актуальность
Исследование фундаментальных свойств наноразмерных структур актуально с прикладной точки зрения, в связи с тем, что, оно определяет широкие перспективы практического применения для создания новых материалов с заданными механическими, электрическими, магнитными и оптическими свойствами, а также для разработки качественно новых микроэлектронных приборов [1— 4].
Экспериментальные методы наблюдения структуры наночастиц существуют уже длительное время, однако все они обладают многими недостатками. В результате чего именно компьютерное моделирование становится незаменимым инструментом для изучения внутренней структуры наночастиц.
Проведение компьютерного моделирования позволяет устанавливать взаимосвязь между эффективными характеристиками деформирования на микро — и макроуровнях и параметрами наноструктуры. Теоретическое моделирование в настоящее время стало важным инструментом, участвующим в проектировании наноматериалов, в ряде случаев восполняющим недостаточность экспериментальных данных. [5].
Следует учитывать, что в нанометровом масштабе возникают
совершенно новые эффекты, свойства и процессы, определяемые квантовой механикой, размерным квантованием в малых структурах, отношением поверхности к объёму, а также другими явлениями и факторами. Помимо всего прочего, большинство современных теорий вещества на микронном уровне содержит критические длины нанометрового масштаба. В связи с этим существующие не могут адекватно описывать новые явления на нанометровом уровне [6].
Актуальность данной работы также связана с перспективами использования НЭМС наночастиц как составных частей наноустройств и материалов в нанотехнологиях уже нового поколения.
Объект и инструмент исследования.
Проблемы аккумулирования, хранения и передачи энергии в настоящее время являются многообещающими и перспективными для различного рода исследований. В результате этого все большее внимание уделяется водороду, как эффективному энергоносителю. Он экологически чист, легко возобновляем. Его легче хранить и транспортировать. В качестве эффективных сорбентов для бирадикалов водорода многими исследователями признаны углеродные нанотрубки, нановолокна [7]. Однако, вследствие неполного раскрытия природы, механизмов и характеристик взаимодействия бирадикалов водорода с углеродными материалами наблюдаются невоспроизводимые результаты. Данный факт свидетельствует о необходимости дальнейших фундаментальных исследований в данной области. Поэтому теоретические исследования могут помочь восполнить ряд данных, необходимых для дальнейших экспериментов.
В результате этого возникает важная и серьезная проблема, связанная с компьютерным моделированием наноэлектромеханических систем, выполняющих роль импульсных накопителей энергии жесткого ультрафиолета и мягкого рентгена, совмещающие при этом хорошие сорбционные свойства [8].
Графен является перспективным материалом, так как имеет хорошие сорбционные свойства и при этом имеет запас энергии, как было показано в работе [9]. Данный факт свидетельствует о способности наночастиц графена запасать энергию, следовательно, является хорошим энергоносителем. Бурный всплеск в исследовании графена стимулировал интерес к изучению различных двумерных (2D) наноматериалов [10]. 2D- нитридборные (BN) наноструктуры являются изоэлектрическими аналогами графеновых структур и проявляют очень похожие структурные характеристики, а, также, физические свойства, за исключением большой ширины запрещённой зоны.
Методами исследования в данной работе выбраны метод нелокального функционала плотности и метод квантовой кинетики.
Цель дипломной работы является исследование и компьютерное моделирование межатомных потенциалов наноструктур состава (BN)n методом нелокального функционала плотности с последующим выявлением сорбционных свойств нанолистов нитрида бора
Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:
1) . Построить компьютерные модели композита НЭМС нитрида бора и бирадикалов водорода
2) . Произвести расчет методом нелокального функционала плотности межъядерных а- потенциалов внутри НЭМС нитрида бора и 0- потенциалов меду слоями НЭМС - нитрида бора и бирадикалов водорода.
3) . Провести оптимизацию структуры композита НЭМС нитрида бора и бирадикалов водорода для двух размеров нанолистов и Т = 0К.
4) . Провести анализ устойчивости НЭМС аккумуляторов водорода на основе нанолистов BN
Научная новизна
На основе рассчитанных межатомных потенциалов были построены наноструктуры нитрида бора размером 2.5*2.5 и 5.0*5.0 нм. Был изучен процесс формирования адорбции водорода на монослоях нитрида бора. Были рассчитаны энергии образования бирадикальных сорбатов водорода на монослоях нитрида бора. Методом компьютерного моделирования была показана возможность получения сорбатов бирадикалов водорода на структурных аналогах графена - нитрида бора.
Структура и объем работы. Выпускная квалификационная работа состоит из введения, 5 глав и заключения, 8 таблиц, 10 рисунков, списка литературы, 48 источников. Общий объем работы составляет 57 страниц.
В результате проведенного исследования можно сделать следующие выводы.
1. Процесс получения НЭМС накопителей и конвертеров водорода на основе борнитрида имеет две основные стадии:
импульсной НЭМС активации и самосборки композита бирадикалов водорода и нанолистов борнитрида;
релаксационной самоорганизации НЭМС композита бирадикалов водорода и нанолистов борнитрида в устойчивый накопитель и конвертор водорода;
2. Отличительной чертой этого НЭМС накопителя водорода состоит в том, что для накопления и эмиссии бирадикалов водорода используется не тепловое, а электромагнитное импульсное воздействие в области жесткого УФ или мягкого рентгена. При этом в процессе такой индуцированной десорбции происходит обратная конверсия бирадикалов водорода в молекулы водорода. После этого происходит обратная релаксация НЭМС листа нитрида бораи он снова готов к повторению цикла загрузки водорода.
3. Компьютерные эксперименты показали, что легко обратимые, с низкой энергией десорбции водорода порядка 10 кДж/моль, НЭМС нанокомпозиты листов нитрида бора с размером (2.5 нм * 2.5 нм) могут поглотить до 4 мас% водорода, а с размером (5.0 нм * 5.0 нм) до 5 мас% к при температуре Т = 0 К.
1. Процесс получения НЭМС накопителей и конвертеров водорода на основе борнитрида имеет две основные стадии:
импульсной НЭМС активации и самосборки композита бирадикалов водорода и нанолистов борнитрида;
релаксационной самоорганизации НЭМС композита бирадикалов водорода и нанолистов борнитрида в устойчивый накопитель и конвертор водорода;
2. Отличительной чертой этого НЭМС накопителя водорода состоит в том, что для накопления и эмиссии бирадикалов водорода используется не тепловое, а электромагнитное импульсное воздействие в области жесткого УФ или мягкого рентгена. При этом в процессе такой индуцированной десорбции происходит обратная конверсия бирадикалов водорода в молекулы водорода. После этого происходит обратная релаксация НЭМС листа нитрида бораи он снова готов к повторению цикла загрузки водорода.
3. Компьютерные эксперименты показали, что легко обратимые, с низкой энергией десорбции водорода порядка 10 кДж/моль, НЭМС нанокомпозиты листов нитрида бора с размером (2.5 нм * 2.5 нм) могут поглотить до 4 мас% водорода, а с размером (5.0 нм * 5.0 нм) до 5 мас% к при температуре Т = 0 К.
