Oscillatory Behavior of Nested Spherical Fullerenes in the Vicinity of a Single Layer Graphene Sheet

پذیرفته شده برای پوستر ، صفحه 1-8 (8) اصل مقاله (416.17 K)

کد مقاله : 1106-ISAV2022 (R1)

نویسندگان

گروه آموزشی علوم مهندسی، دانشکده فناوری های نوین نمین، دانشگاه محقق اردبیلی، نمین، ایران

چکیده

این مقاله به برهمکنش های واندروالسی و حرکت نوسانی فلورن های کروی تو در تو که به پیاز کربن معروف هستند، در مجاورت یک صفحه گرافن تک لایه می پردازد. پیازهای کربن متقارن هستند و صفحه گرافن به عنوان یک سطح صاف کاملاً مقید مدل سازی می شود. با استفاده از تقریب پیوسته و تابع پتانسیل 6-12 لنارد جونز، عبارت های تحلیلی صریحی برای ارزیابی انرژی پتانسیل و نیروی برهمکنشی واندروالسی ارائه شده اند. معادله حرکت به صورت عددی حل شده است تا پاسخ زمانی جابجایی و سرعت پیاز کربن به دست آید. بر اساس اصل بقای انرژی مکانیکی، یک رابطه نیمه تحلیلی نیز برای محاسبه دقیق فرکانس نوسان استخراج شده است. نتایج عددی برای بررسی تأثیرات اندازه پیاز کربن و شرایط اولیه (فاصله جداسازی اولیه و سرعت اولیه) بر روی فرکانس کاری نوسانگرهای پیاز کربن- صفحه گرافن تک لایه ارائه شده است. نتایج نشان می دهد که پیاز کربن در بالای صفحه گرافن با فرکانس هایی در محدوده گیگا هرتز نوسان می کند. همچنین، مشاهده می شود که ساختارهای کوچک تر پیاز کربن فرکانس های بالاتری تولید می کنند. نتایج ارائه شده در این مطالعه به توسعه نسل جدید نانو نوسانگرها کمک می کند.

کلیدواژه ها

صفحه گرافن؛ پیاز کربن؛ تقریب پیوسته؛ فرکانس نوسان

موضوعات

Micro and Nano Modelling

Title

Oscillatory Behavior of Nested Spherical Fullerenes in the Vicinity of a Single Layer Graphene Sheet

Authors

Fatemeh Sadeghi

Abstract

This paper deals with the van der Waals (vdW) interactions and oscillatory motion of nested spherical fullerenes, known as carbon onions, in the vicinity of a single layer graphene (SLG) sheet. The carbon onions are of Ih symmetries and the graphene sheet is modeled as a fully constrained flat surface. Utilizing the continuum approximation in conjunction with the 6-12 Lennard-Jones (LJ) potential function, explicit analytical expressions are derived to evaluate the vdW potential energy and interaction force. The equation of motion is solved numerically to attain the time histories of displacement and velocity of the carbon onion. On the basis of conservation of mechanical energy principle, a semi-analytical expression is al-so derived to accurately evaluate the oscillation frequency. Numerical results are presented to examine the influences of size of carbon onion and initial conditions (initial separation distance and initial velocity) on the operating frequency of carbon onion-SLG sheet oscillators. It is shown that carbon onion performs oscillatory motion above the graphene sheet with frequencies in the gigahertz (GHz) range. It is further observed that smaller structures of carbon onions produce greater frequencies. The presented results in this study would con-tribute to the development of new generation of nano-oscillators.

Keywords

graphene sheet, carbon onion, continuum approximation, oscillation frequency

مراجع

1. J. W. Kang, K. S. Kim, O. K. Kwon, G. Y. Lee, “Carbon nanotube shuttle memory device based on nanoribbon-nanotube crossbar”, Journal of Nanoscience and Nanotechnology 17, 8332-8337 (2017). 2. Y. W. Lin, W. G. Jiang, Q. H. Qin, S. M. Liao, “A map between excitation magnitude and critical stable temperature for screwing oscillators built on double-walled nanotubes”, Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostructures 118, 113943 (2020).  3. X. Shan, Y. Fang, S. Wang, Y. Guan, H. Y. Chen, N. Tao, “Detection of charges and molecules with selfassembled nano-oscillators”, Nano Letters 14, 4151-4157 (2014). 4. J. Cumings, A. Zettl, “Low-friction nanoscale linear bearing realized from multiwall carbon nanotubes”, Science 289, 602-604 (2000). 5. Q. Zheng, J. Z. Liu, Q. Jiang, “Excess van der Waals interaction energy of a multiwalled carbon nanotube with an extruded core and the induced core oscillation”, Physical Review B 65, 245409 (2002). 6. S. B. Legoas, V. R. Coluci, S. F. Braga, P. Z. Coura, S. O. Dantas, D. S. Galvão, “Molecular-dynamics simulations of carbon nanotubes as gigahertz oscillators”, Physical Review Letters 90, 055504 (2003). 7. J. L. Rivera, C. McCabe, P. T. Cummings, “Oscillatory behavior of double-walled nanotubes under extension: a simple nanoscale damped spring”, Nano Letters 3, 1001-1005 (2003). 8. S. B. Legoas, V. R. Coluci, S. F. Braga, P. Z. Coura, S. O. Dantas, D. S. Galvão, “Gigahertz nanomechanical oscillators based on carbon nanotubes”, Nanotechnology 15, S184 (2004). 9. C. C. Ma, Y. Zhao, C. Y. Yam, G. Chen, Q. Jiang, “A tribological study of double-walled and triple-walled carbon nanotube oscillators”, Nanotechnology 16, 1253 (2005). 10. W. Hu, M. Song, T. Yin, B. Wei, Z. Deng, “Energy dissipation of damping cantilevered single-walled carbon nanotube oscillator”, Nonlinear Dynamics 91, 767-776 (2018). 11. W. Guo, Y. Guo, H. Gao, Q. Zheng, W. Zhong, “Energy dissipation in gigahertz oscillators from multiwalled carbon nanotubes”, Physical Review Letters 91, 125501 (2003). 12. Y. Zhao, C. C. Ma, G. Chen, Q. Jiang, “Energy dissipation mechanisms in carbon nanotube oscillators”, Physical Review Letters 91, 175504 (2003). 13. P. Liu, Y. Zhang, C. Lu, “Oscillatory behavior of C60-nanotube oscillators: a molecular-dynamics study”, Journal of Applied Physics 97, 094313 (2005). 14. D. Baowan, J. M. Hill, “Gigahertz oscillators constructed from carbon nanocones inside carbon nanotubes”, Journal of Computational and Theoretical Nanoscience 5, 302-310 (2008). 15. F. Sadeghi, R. Ansari, “Mechanical oscillatory behavior of a C60 fullerene tunneling through open carbon nanocones”, The European Physical Journal Plus 132, 1-12 (2017). 16. D. S. L. Abergel, V. Apalkov, J. Berashevich, K. Ziegler, T. Chakraborty, “Properties of graphene: a theoretical perspective”, Advances in Physics 59, 261-482 (2010). 17. H. Shen, L. Zhang, M. Liu, Z. Zhang, “Biomedical applications of graphene”, Theranostics 2, 283 (2012). 18. W. Koh, J. H. Lee, S. G. Lee, J. I. Choi, S. S. Jang, “Li adsorption on a graphene–fullerene nanobud system: density functional theory approach”, RSC Advances 5, 32819-32825 (2015). 19. S. Grimme, C. Mück-Lichtenfeld, J. Antony, “Noncovalent interactions between graphene sheets and in multishell (hyper) fullerenes”, The Journal of Physical Chemistry C 111, 11199-11207 (2007). 20. H. Ma, H. Babaei, Z. Tian, “The importance of van der Waals interactions to thermal transport in GrapheneC60 heterostructures”, Carbon 148, 196-203 (2019). 21. N. Thamwattana, J. M. Hill, “Oscillation of nested fullerenes (carbon onions) in carbon nanotubes”, Journal of Nanoparticle Research 10, 665-677 (2008).