15798

15798

تحليل حرارتي و مكانيكي ديودها و ترانزيستورهاي حرارتي برپايه‌ي نانوساختار گرافن با استفاده از روش ديناميك مولكولي

كارشناسي ارشد

فناوري نانو - نانومواد

اسفند‌ماه1394

اسفند‌ماه1394

دكتر صادق صادق زاده

فناوري‌هاي نوين

چكيده گرافن كاربردهاي فراواني در ادوات الكترونيكي دارد. مهم‌ترين كاربردي كه به نظر مي‌رسد بشر در آينده نزديك بهره زيادي از آن مي‌برد، ترانزيستورهاي گرافني هستند. با توجه به هزينه بالاي ساخت و آزمودناين‌گونه ادوات، استفاده از شبيه‌سازي به‌منظور اجتناب از آزمايش‌هاي گران، ضروري به نظر مي‌رسد. از طرفي، براي بررسي چنين سامانه‌هايي نمي‌توان از روش‌هاي بر پايه‌ي محيط پيوسته استفاده كرد، چون ديناميك سيستم بسيار سريع بوده و از طرفي محيط فرايند هم پيوسته نيست. براي نانوترانزيستورهاي حرارتي، مي‌توان از روش شبيه‌سازي ديناميك مولكولي استفاده كرد كه برمبناي مكانيك كلاسيك بوده و لمپس يكي از نرم‌افزارهايي است كه مي‌توان با آن، براساس روش ديناميك مولكولي بسياري از سامانه‌هاي اتمي مولكولي را شبيه‌سازي نمود. هدف از اين پايان‌نامه، شبيه‌سازي نانوترانزيستورها و ديودهاي حرارتي گرافني و بررسي خواص حرارتي و مكانيكي آن‌ها است. ديودهاي حرارتي از يكسو كردن تك لايه‌ي گرافن معلق به دست مي‌آيند. در كار حاضر، گرافن معلق براي بررسي حرارتي ازنظر طول و نقص ساختاري و ناخالصي موردمطالعه قرار گرفته و خواص مكانيكي ازنظر تعداد لايه و دما و پارامترهاي ديگر بحث شده است. نتايج شبيه سازي نشان داد كه با افزايش طول گرافن معلق، از 12 تا 25 نانومتر، ضريب هدايت حرارتي آن به‌صورت نمايي از W/mk 121 تا W/mk 250 ، افزايش مي‌يابد. در ادامه، عيب جاي خالي در مكان‌هاي مختلف گرافن ايجادشده كه در نزديكي لبه‌ها ضريب هدايت حرارتي W/mk93 و در وسط ورق برابر W/mk73مشاهده شده است. همچنين افزايش درصد ناخالصي آهن در گرافن، منجر به كاهش ضريب هدايت حرارتي ازW/mk 121 به W/mk 83 و در ديود از W/mk 70 به W/mk 40 مي‌شود كه اين اثر در گرافن به همراه بستر نيز مشاهده ‌شده است، با افزايش درصد كلاستر طلا در نانوترانزيستور گرافني، ضريب هدايت حرارتي از W/mk 230 به W/mk 100كاهش مي‌يابد. از طرفي اثر عيب و ناخالصي به‌صورت توأمان، اثر دوچندان بر كاهش ضريب هدايت حرارتي گرافن معلق دارد. از سويي ديگر افزايش قطر ناخالصي در گرافن معلق ضريب هدايت حرارت آن را از W/mk 69به نزديك صفر و جاي خالي و ناخالصي به‌صورت توأمان، ضريب هدايت حرارت آن را از W/mk 45 به نزديك صفر مي‌رساند. همچنين در ديود گرافني با افزايش دما، ميزان درصد يك‌سوسازي حرارتي از 120 به 40 درصد كاهش مي‌يابد. در تحليل مكانيكي مدول الاستيك و تنش و كرنش شكست براي تك لايه‌ي گرافن با اندازه‌ي 5 در 5 نانومتر محاسبه شد؛ و در مرحله‌ي بعد اثر تعداد لايه بر خواص مكانيكي بررسي شد كه نشان داد با افزايش تعداد لايه، تنش و كرنش شكست، كاهش مي‌يابدو مدول يانگ نيز كاهش اندكي (2.5%) را با افزايش تعداد لايه نشان مي‌دهد. از سويي ديگر با افزايش دما، تنش شكست به مقدار 69.15%، كرنش شكست 71.22% و مدول يانگ 25.27%افت را به دنبال افزايش دما تجربه مي‌كنند. در مرحله‌ي بعد به‌جاي نيروي كششي از نيروي فرورونده‌ي الماس بر تك لايه‌ي گرافن استفاده شد كه نشان داد تنش شكست در اين حالت GPa 190.5 و كرنش شكست برابر با 0.17 است. اين نتايج مي‌تواند در طراحي سامانه‌هاي بر پايه گرافن در حد وسيعي مورداستفاده قرار گيرد و طراحان را در رسيدن به سامانه‌هاي پايدارتر در طراحي‌هاي حرارتي و مكانيكي كمك نمايد. واژه‌هاي كليدي: نانو ترانزيستور، گرافن، ديناميك مولكولي، شبيه‌سازي، لمپس