基于含缺陷石墨烯的纳机电谐振器分子动力学分析

摘要

石墨烯具有优异的力学、电学和热学性能，是制作微纳器件的理想材料。基于石墨烯的纳谐振器由于其低功耗、高灵敏度和高机械谐振频率等优势，在传感器、赫兹信号发生器和高频信号处理领域有广泛的应用前景。然而，由于石墨烯加工工艺和成本的限制，实际制备的石墨烯不可避免的含有空位、吸附原子、晶界等大量缺陷，缺陷会对石墨烯的宏观特性产生一定影响，目前关于缺陷是怎样影响石墨烯谐振特性的研究尚未见报道。本文针对基于含缺陷石墨烯的纳机电谐振器进行研究，采用分子动力学方法，对含缺陷石墨烯纳谐振器的谐振特性进行了仿真和分析，为石墨烯纳谐振器的设计和性能优化提供必要的理论依据。本论文包含以下内容： 1.根据纳机电谐振器的静电驱动原理和石墨烯的结构特性，建立了一种基于石墨烯的纳谐振器模型，采用分子动力学软件 LAMMPS对其进行了谐振频率特性分析，分析了不同外力下，无缺陷石墨烯的谐振频率变化特性。结果表明：随着外力增大，完美石墨烯的谐振频率呈现非线性的递增趋势，当外力在10.715nN到29.765nN之间时，其谐振频率均为469GHz。 2.建立了含不同位置、大小和浓度的空位缺陷石墨烯模型，采用分子动力学方法模拟石墨烯在外力下的振动过程。结果表明：（1）单个的单原子空位对石墨烯谐振频率没有影响；（2）石墨烯谐振频率随着空位缺陷浓度的增加而降低，当浓度为5%时，其谐振频率降低了12.77%；（3）大的空位缺陷即孔洞降低了石墨烯谐振频率，且孔洞越靠近石墨烯两边固定端，其频率越低。 3.分析了吸附原子缺陷的吸附质量、位置和浓度对石墨烯谐振性能的影响。结果表明：吸附原子导致石墨烯谐振频率下降，且谐振频率随着吸附物质量的增加、浓度的升高、吸附位置到石墨烯中心处的距离的减小而呈现下降的趋势。 4.建立了含不同位置和数目的5-5-8晶界的石墨烯模型并对其振动过程进行了分子动力学仿真。结果表明：（1）晶界的存在降低了石墨烯的谐振频率。（2）晶界位置对石墨烯谐振频率影响很小。（3）石墨烯谐振频率随晶界数目的增多呈现下降的趋势。 5.分析了不同外力下双层石墨烯的频率响应特性，结果表明，相同外力下，双层石墨烯的谐振频率高于单层石墨烯，且随着外力的增加，两者之间的差别逐渐增大。

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