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仪器仪表学报 2023年第9期44卷 204-217页

作者：郑贤德甄嘉鹏邱静刘冠军国防科技大学智能科学学院长沙400713

航空、航天等领域对高性能传感器提出了系列迫切需求,石墨烯因其优异的机械电子学特性,有望进一步提高传感器性能,得到了广泛研究。石墨烯谐振器作为一种新的敏感单元,因其极薄的厚度而具有非常高的传感灵敏度。但目前,室温下石墨烯谐... 详细信息

航空、航天等领域对高性能传感器提出了系列迫切需求,石墨烯因其优异的机械电子学特性,有望进一步提高传感器性能,得到了广泛研究。石墨烯谐振器作为一种新的敏感单元,因其极薄的厚度而具有非常高的传感灵敏度。但目前,室温下石墨烯谐振器的抗干扰能力和稳定性普遍较差,室温下石墨烯谐振器品质因数较低成为制约石墨烯谐振器性能提升和应用的一个关键因素,提高石墨烯谐振器品质因数成为亟待研究的问题。本文通过建立石墨烯谐振器的能量耗散稀释理论模型,分析石墨烯谐振器能量耗散分布特性;在理论模型指导下,提出一种基于声子晶体软支撑结构的石墨烯谐振器能量耗散抑制新机制,开展石墨烯声子晶体谐振器优化设计、制备与特性测试分析研究,从而为提高石墨烯谐振器品质因数提供一种新的技术手段。

关键词：石墨烯谐振器声子晶体软支撑能量耗散稀释品质因数

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基于分子动力学的石墨烯谐振器的质量敏感性研究

基于分子动力学的石墨烯谐振器的质量敏感性研究

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作者：张豪江苏科技大学

学位级别：硕士

纳机电谐振器的发展对现代科技和生活产生了深远的影响,相关研究和应用涉及量子、生物、环境等领域。其中,纳机电谐振器的质量敏感性问题一直是此领域的研究热点。石墨烯因其卓越的力学和电学性能被认为是纳机电谐振器的理想材料。与宏... 详细信息

纳机电谐振器的发展对现代科技和生活产生了深远的影响,相关研究和应用涉及量子、生物、环境等领域。其中,纳机电谐振器的质量敏感性问题一直是此领域的研究热点。石墨烯因其卓越的力学和电学性能被认为是纳机电谐振器的理想材料。与宏观材料不同,石墨烯因表面效应、小尺寸效应等因素表现出许多新奇性质。在此背景下,本研究以石墨烯谐振器为研究对象,使用分子动力学模拟方法探究了本征石墨烯和缺陷石墨烯的振动性质及质量敏感性,并提出了两种提高质量敏感性的方法。本文包括以下四个部分:第一部分研究了本征石墨烯的拉伸及振动性质。基于石墨烯的原子结构,构建了一种石墨烯鼓型谐振器模型。石墨烯表现出各向异性的特点,两种手性石墨烯的断裂方式和断裂强度并不一致。此外,不同尺寸的石墨烯谐振器的模拟结果表明,本征石墨烯的谐振频率随着尺寸的增加而非线性降低。小尺寸石墨烯谐振器对吸附质量具有更高的质量敏感性,但对吸附质量的稳定性较弱。同时,受拉伸作用的石墨烯会表现出更高的谐振性能及质量敏感性。此外,观察到环境温度会影响谐振频率的变化趋势,其变化方向与初始条件下的张力有关。最后,分析了激励速度与谐振频率之间的关系,增加初始的激励速度可以提高石墨烯的谐振频率,然而高激励速度会造成吸附质量的扩散,导致石墨烯质量敏感性的降低。这部分对本征石墨烯的谐振性能及质量敏感性进行了全面的分析,为纳机电谐振器的构建奠定了基础。第二部分研究了含有缺陷的石墨烯的振动性能及质量敏感性。基于模拟的结果,发现缺陷在石墨烯的振动中起到了十分关键的作用。单原子缺陷对石墨烯的谐振频率几乎没有影响,但是当缺陷数量增加时,石墨烯的谐振频率会随之降低。另外,纳米孔缺陷对石墨烯的振动能力削弱较大。此外,构建了两种含有Stone-Wales缺陷的石墨烯谐振器模型。研究发现,Stone-Wales缺陷会引起局部的应力集中及平面外位移,并改变石墨烯的振动模式。同时,石墨烯的品质因子因单原子缺陷和Stone-Wales缺陷的存在,至少降低了一个数量级。最后,探讨了缺陷对石墨烯质量敏感性的影响。相较于无缺陷的本征石墨烯,含有单原子缺陷或Stone-Wales缺陷的石墨烯谐振器表现出更高的质量敏感性,并且吸附质量具有较高的稳定性。这部分的研究意味着缺陷可以运用到谐振器进一步的设计与使用中。第三部分提出了一种使用缺陷设计来提高石墨烯质量敏感性的方法。使用了剪纸的方法对石墨烯进行缺陷设计,当剪纸缺陷靠近石墨烯的中央时,缺陷的尺寸越大,石墨烯的质量敏感性越高。剪纸石墨烯谐振器的质量灵敏度最高可达本征石墨烯的2.2倍。此外,施加张力可以有效提高本征石墨烯和剪纸石墨烯的灵敏度和谐振频率。然而,过高的初始速度或张力会造成吸附质量在石墨烯上的扩散。这部分的研究表明剪纸石墨烯可以用来发展超灵敏的质量传感器。第四部分提出了一种利用异质结的方式来提升质量敏感性的方法。构建了几种基于石墨烯的异质结谐振器。根据模拟结果,发现异质结谐振器的谐振频率随激励速度的增加而升高,且位于构成异质结的两种单层谐振器之间,这与异质结材料的杨氏模量和面内弯曲刚度有关。然而,在高温环境中,异质结谐振器的稳定性和品质因子会显著降低。同时,在高温条件下,观察到了异质结谐振器中存在“拍振”现象,这与异质结谐振器的高阶振动模式及层间滑动有关。进一步地,研究了异质结谐振器的质量敏感性。发现未经拉伸的异质结谐振器的质量敏感性不如单层石墨烯。然而,在施加2%拉伸应变后,异质结谐振器的质量敏感性显著提高,达到与单层石墨烯相当的水平。这部分的研究对异质结谐振器的振动及质量敏感性作出了详细的分析,这将有助于异质结谐振器在质量检测领域进一步应用。

关键词：分子动力学石墨烯谐振器缺陷剪纸异质结

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