碳纳米管热驱动器的驱动机理和解析建模

论文摘要

碳纳米管是一种优异的纳米材料,由于其力学、热学、电学和化学等方面特殊的性能,自从1991年被发现以来,它一直是构建下一代高性能微纳米机电系统的最理想的材料。纳米驱动器是一种把能量转化为运动的纳米器件,一直以来构建高效、灵活可控的纳米驱动器是纳米科技领域的中心问题之一。最近一种新的驱动机理日渐受到重视,Walther等人第一次提出在碳管中导入温度梯度会是一种新的驱动方式,Barreiro等人则第一次在实验中观测到这种现象。目前科学界对这种现象已有大量的研究,使得人们对这种现象有了较为全面的了解,有很多基于这种驱动方式的纳米驱动器也在实验室或计算机模拟中构建出来或证明可行。但关于温度梯度驱动的物理机理目前尚不清楚,更没有解析模型提出。本文基于Tersoff-Brenner势的分子动力学对热驱动进行了系统的研究,提出了对温度梯度驱动原因的解释。在这种解释的基础上,本文提出一个基于晶格振动的解析模型。双壁或多壁碳管中,层间运动方式的限制到只剩转动和同轴滑动,非常类似于日常生活中的轴承,这为构建器件提供极大的便利。由一根长内管和一段短外管组成的驱动器（内管导入温度梯度,外管作为被驱动部分）是温度梯度驱动器中最特殊、最典型的一类,本文研究的对象即为该类驱动器。我们对外管受力进行详细分析是发现,外管上的力很明显分为两类:一类作用在外管边缘上,一类作用在整个外管上。作用在两个边缘的力方向相反,都指向外管的中心。当没有温度梯度时,力仍然存在,但大小相等,所以互相抵消。当有温度梯度存在时,在温度较高一端的力也较大,所以合力方向为沿轴指向低温区,和温度梯度方向一致。关于作用在整个碳管中那部分力,虽然每个原子上的力不明显且随机扰动,但合力和第一个力在同一数量级。我们提出热振动导致了层间势能的增加,在有温度梯度的情况下形成一个势能梯度,因此会在整个外管上作用一个力。关于边缘力,我们认为是外管对内管原子的作用和内管热振动耦合产生的势能壁垒导致的。随后分子动力学模拟证实了我们对驱动原理的猜测。在这种解释的基础上,我们利用晶格振动的方法给出了层间范德华势能和温度的关系,并和分子动力学的结果进行了比较,结果吻合的很好。进一步我们给出了驱动力及其两个部分的表达式,表达式显示驱动力和温度梯度、外管直径及外管长度有线性依赖的关系,预测的结果和分子动力学模拟给出的结果一致。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 碳纳米管的研究背景，前沿和意义
• 1.1.1 纳米机械系统（NEMS）和碳纳米管
• 1.1.2 热泳领域的研究现状
• 1.2 本文的主要工作
• 第二章 碳纳米管中热泳驱动的物理模型
• 2.1 引言
• 2.2 研究方法
• 2.3 温度梯度、系统平均温度对驱动力的影响
• 2.4 热泳驱动的物理机理
• 2.4.1 作用在外管上的驱动力的详细情况
• 2.4.2 梯度力和夹持力产生的机理
• 2.5 本章小结和讨论
• 第三章 双壁碳纳米管中热泳驱动力的解析解
• 3.1 引言
• 3.2 晶格振动简介和单层石墨的离面振动模态
• 3.3 解析模型
• 3.3.1 模型描述
• 3.3.2 层间范德华势能
• 3.3.3 石墨离面振动模态
• 3.3.4 驱动力中的梯度力
• 3.3.5 驱动力中的夹持力
• 3.3.6 热泳导致的外管上的驱动力
• 3.4 数值检验和讨论
• 3.4.1 与温度有关的层间范德华势能
• 3.4.2 热泳驱动力
• 3.4.3 讨论
• 3.5 本章小结和讨论
• 第四章 全文总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间完成的论文