Введение 6
1 Современное состояние исследований устойчивости графена 9
1.1 Получение графена 9
1.2 Свойства наносистем графена 10
2 Теоретические основы методов расчета устойчивости графена 17
2.1 Теория функционала плотности 17
2.2 Квантовая кинетика наноэлектромеханических систем 18
2.3 Техника безопасности 21
2.3.1 Требования безопасности при работе с компьютером 21
2.3.2 Техника безопасности при пожаре и несчастных случаях 22
3 Результаты расчетов устойчивости графена методами функционала
плотности и квантовой нанокинетики 23
3.1 Метод функционала плотности в программном модуле Winbond 23
3.2 Процесс образования стопочного НЭМС графена 27
3.3 Метод квантовой нанокинетики в компьютерной программе
NanoEvolver 29
3.4 Результаты расчетов двух и трех слоевых стопок НЭМС графена 35
Заключение 38
Библиографический список 40
Вся живая природа и природные ископаемые, такие как нефть и уголь - все это состоит из соединений углерода. Поэтому он считается уникальным элементом, к тому же ни у одного другого элемента нет такого многообразия, как соединений, так и форм простого вещества (алмаз, графит). Своим разнообразием простых веществ углерод «сломал» не одно представление о том, что элемент существует виде только одного простого вещества. Появление графена - яркий тому пример. Он дополнил число «простых веществ» углерода и дал новый импульс развитию нанотехнологий [1].
В настоящее время графен это один из основных кандидатов для элементов наноэлектроники будущего, вместо кремния [2]. Так, он может быть использован в качестве основы для транзисторов [3-5], кантилевера для атомно-силового микроскопа [6], химических сенсоров [7,8] и др. В качестве наиболее острых проблем электроники, требующих принципиально новых подходов в решении ряда задач, выделяют увеличение быстродействия, отвод тепла и др. Исследования последних лет предлагают человечеству в ближайшей перспективе рассматривать электронику на основе углерода в качестве ключевого решения, позволяющего разрешить сложные проблемы электроники [1]. Известно, что наномолекулярный графен образует устойчивые стопочные структуры. Поэтому все большее значение приобретает исследование механических свойств однослойного, а также многослойного графена — два и более монослоев графита, удерживающихся Ван-дер-Ваальсовым взаимодействием [9].
Дальнейшее развитие энергетических нанотехнологий будет определяться разработкой когерентных квантовых накопителей энергии с разделенными зарядами двух различных типов: квантовых
наномолекулярных систем (НМС) [10-13] и квантовых
наноэлектромеханических систем (НЭМС) [14-17]. Считается, что основные характеристики когерентных квантовых накопителей энергии на порядок в наномолекулярных системах и на два порядка в наноэлектромеханических системах выше, чем в современных наномолекулярных аналогах с двойным электрическим слоем [18].
Физические механизмы хранения и преобразования энергии в наномолекулярных и наноэлектромеханических системах разные. Механизм наномолекулярных систем связан с накоплением энергии одноэлектронными (экситонными) возбуждениями молекулы, которые типичны для линейного отклика материалов на воздействие излучений оптического и инфракрасного диапазонов. В механизме наноэлектромеханических систем важен эффект накопления энергии запутанными двухэлектронными возбуждениями [19], которые характерны для нелинейного отклика материалов на аттосекундные импульсы воздействия энергии ультрафиолета (УФ) и мягкого рентгена (МР) с энергией в импульсе 10 - 1000 эВ.
Считается, что методы формирования когерентных квантовых наномолекулярных систем хранения энергии опираются на достижения в области фемтохимии [20,21]. Методы фемтохимии основаны на законах физики фемтосекундных процессов: экситонных возбуждений, колебаний ядер и их вибронного взаимодействия...
Одной из важнейших задач в области современной физической химии наноматериалов является разработка фундаментальных основ аттосекундных нанотехнологий, в которых для кардинального изменения свойств вещества используются ультракороткие аттосекундные импульсы мягкого рентгена. Для растущих потребностей в области наноэнергетики представляет интерес создание при воздействии ультракоротких импульсов внутри наноматериалов квантовых наноэлектромеханических систем, эффективно аккумулирующих энергию импульсов. Особенно перспективны углеродные наноматериалы на основе стопочных наноструктур графена из-за их высокой прочности и малой массы. Накопление энергии пропорционально количеству атомов в нанослоях графена и может регулироваться за счёт изменения числа наслоёв в стопке.
В данной работе теоретически исследована механическая прочность стопочных наноэлектромеханических систем графена, содержащих два - три нанослоя различного размера для трёх температурных условий эксплуатации: в области абсолютного нуля температур (Т =1 К), в криогенной области сжижения азота (Т = 77 К) и при нормальных температурах (Т = 293 К).
В результате компьютерного моделирования получены выводы:
1. Двух- и трехслойные квантовые НЭМС стопки графена супра- атомного масштаба (2,5 нм*2,5 нм; 5,2 нм*5,2 нм; 10,2 нм*10,2 нм) являются устойчивыми в результате экзотермической адгезии слоёв.
2. Энергии адгезии в стопке НЭМС графена слабо зависит от линейных размеров нанослоёв, составляя 1-2 кДж/моль при равновесных средних расстояниях 0,28 - 0,29 нм между листами НЭМС графена.
3. С увеличением температуры энергия адгезии и среднее равновесное расстояние между листами в стопке высоко возбужденного НЭМС графена слабо возрастает.
4. Трёхслойный пакет НЭМС графена имеют большую устойчивость и ёмкость аккумулированной энергии по сравнению с двухслойным.
