18867

1۸۸۶۷

شبيه سازي رفتار مكانيكي و حرارتي تك لايه هيبريد گرافن - نيتريد بور

كارشناسي ‌ارشد

مهندسي فناوري نانو - نانو مواد

اسفند 1396

دكتر صادق صادق زاده - دكتر ميثم جلالي

فناوري هاي نوين

اولين ماده دوبعدي شناخته شده در دنيا گرافن با ساختار شش ضلعي شامل اتم‌هاي كربن مي‌باشد. به دنبال آن نيتريد بور دو بعدي كه ساختاري مشابه با گرافن و داراي اتم‌هاي نيتروژن و بور است شناسايي شد. خواص مشابه فوق‌العاده و شباهت ساختاري بين اين دو ماده و همچنين تفاوت‌هاي بينشان باعث به وجود آمدن خواصي جديد در تركيب اين دو ماده در علم نوين شده است و توجه بسياري از محققان را به اين موضوع سوق داده است. گرافن از نظر خواص الكتريكي فلز يا نيمه فلز است در صورتي كه نيتريد بور يك عايق با باند گپ 9/5 الكترون-ولت است. تركيب اين دو ماده باعث باز كردن باند گپ در گرافن مي‌شود كه در ساخت ترانزيستورهاي اثر ميدان پايه گرافني بسيار پركاربرد مي‌باشد. در اين پايان نامه ابتدا به بررسي خواص مكانيكي گرافن و نيتريد بور خالص پرداخته شده و سپس با تركيب دو ماده به صورت لب به لب، به بررسي تأثير آرايش فصل مشترك دو ماده بر روي خواص مكانيكي آن‌ها پرداخته شده است. همچنين تغييرات مدول يانگ، كرنش و استحكام شكست هركدام از دو ماده و تركيب آن‌ها موردبحث و بررسي قرارگرفته است. در ادامه با استفاده از شبيه‌سازي ديناميك مولكولي به بررسي خواص مكانيكي نانو ورق‌هاي هيبريدي گرافن-نيتريد بور لب به لب در حضور عيوب مختلف پرداخته شده است. دو نوع عيب شامل حفرات دايروي و مربعي در ساختار ايجاد شده است. در كار حاضر ابتدا اثر افزايش قطر، طول حفرات(دايروي و مربعي) و افزايش تعداد حفرات بر ساختار مذكور و همچنين اثر حضور اين عيوب در مكان‌هاي مختلف تركيب گرافن-نيتريد بور بررسي و مورد بحث قرار گرفته است. نتايج نشان مي‌دهد كه حضور حفرات در ساختار باعث افت خواص مكانيكي اعم از استحكام و كرنش شكست و مدول يانگ مي‌شود، اما اثر آن روي مدول يانگ به مراتب كمتر از دو پارامتر مكانيكي ديگر مي‌باشد. همچنين نشان داده شده است كه عيوب حفرات دايروي تأثير كمتري نسبت به عيوب حفرات مربعي بر روي خواص مكانيكي گذاشته است. به طور نمونه استحكام شكست، با ايجاد حفرات دايروي با قطر 10 آنگستروم در تركيب گرافن-نيتريد بور در ناحيه گرافن چپ(GFL) نسبت به ساختار بدون عيب، 20 درصد كاهش مي‌يابد در صورتي كه مدول يانگ تحت همين شرايط 10 درصد افت كرده است. همچنين اثر سه نوع شكاف بر روي خواص مكانيكي تركيب گرافن – نيتريد بور به طوري كه يك نوع شكاف در جهت آرمچير و دو نوع شكاف در جهت زيگزاگ ايجاد مي‌شود، مورد بررسي قرار گرفته است. نتايج حاكي از آن است كه ساختار در حضور شكاف‌هاي طولي خواص مكانيكي مطلوب‌تري را نسبت به دو شكاف عرضي ديگر از خود نشان مي‌دهد. دليل اين برتري را مي‌توان به جهت كشش ساختار نسبت داد، بدين گونه كه وقتي شكاف ايجاد شده در جهت كشش باشد، خواص مكانيكي مطلوب‌تري را به دنبال دارد. گفتني است كه اثر عيوب مختلف در ساختار هيبريدي گرافن – نيتريد بور بر روي مدول يانگ به مراتب پايين تر از اثر آن بر روي استحكام و كرنش شكست مي‌باشد. در ادامه اثر اين نوع عيوب در مكان‌هاي مختلف و با اندازه‌هاي مختلف مورد بحث و بررسي قرار گرفته است. همچنين در پايان اثر دما و نرخ كرنش در تركيب گرافن- نيتريد بور بدون عيب و در حضور شكاف طولي مورد بحث قرار گرفته است و نشان داده شده است كه با افزايش دما در حضور نواقص، خواص مكانيكي كاهش مي‌يابد در صورتي كه با افزايش نرخ كرنش، خواص مكانيكي افزايش مي‌يابد. واژه‌هاي كليدي: گرافن، نيتريد بور، تركيب گرافن-نيتريد بور، خواص مكانيكي و خواص حرارتي

1397/03/01

5/22/2018 12:00:00 AM

The first known two dimensional material in the world is graphene; a C-C hexagonal structure. 2D boron nitride which is composed of nitrogen and boron, with similar structure is in the second row after graphene. The same properties and very similar structure between graphene and boron nitride, along with their differences, cause interesting properties out of their hybridization and this topic is intrigued by many researchers, today. From electronic point of view, graphene is a metal or semi-metal and boron nitride is a dielectric (band gap= 5.9 ev). Hybridization of the two materials opens band gap in graphene which has wide applications in field-effect graphene transistors. In this paper, firstly mechanical properties of pure graphene and boron nitride have been investigated. Then, effect of the interface structure on the mechanical properties of hybrid graphene boron nitride was studied. Young modulus, strain and tensile strength of the samples were measured in this research. In here, by using molecular dynamics simulation, the mechanical properties of butt-joined hybrid graphene-boron nitride (BN) sheets in the presence of various defects have been investigated. For this purpose, two types of defects including circular and square holes have been created in the examined specimens. The effects of increasing the hole diameter, hole length (circular and square), number of holes and also the effect of different locations of such defects in hybrid graphene-boron nitride sheets on their mechanical properties have been analyzed and discussed. At the nanoscale, various defects such as cracks and cavities can surely appear in the structure of 2D materials during their synthesis by the CVD technique. The formation of these flaws in nanomaterials can substantially alter their electrical, chemical and mechanical properties. In the present work, the effects of three types of crack defects (one along the armchair direction and two in the zigzag direction) on the mechanical properties of hybrid graphene-boron nitride (BN) nanosheets have been investigated. The obtained results indicate that hybrid nanostructures with longitudinal cracks display more desirable mechanical properties than those with the two types of transverse cracks. These greater mechanical properties can be attributed to the direction of tensile stress; when a crack in a nanostructure is aligned with the direction of tension, the defective nanostructure displays better mechanical properties. The various types of defects in a hybrid graphene-boron nitride nanostructure have a much lower effect on its Young’s modulus value than its failure strength and strain. Keywords: Graphene, Boron Nitride, Graphene-Boron Nitride Hybrid, mechanical properties and thermal properties