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目 录

第一章 绪论 3

1.1 碳纳米管的发现和结构 3

1.2 碳纳米管的性质 5

1.3 碳纳米管的应用 5

1.4 碳纳米管振荡器 6

第二章 分子动力学和模拟软件MS 7

2.1 分子动力学简介 7

2.2 分子动力学模拟 7

2.3 碳纳米管振荡器的分子动力学模拟 8

2.4 模拟软件Material Studio介绍 8

第三章 极低温度下，锯齿/锯齿型双壁碳纳米管阻尼系数 9

3.1 模型的搭建 9

3.2 振荡特性曲线的分析 12

第四章 极低温度下锯齿/手椅型和锯齿/螺旋型的阻尼系数 15

4.1 锯齿/手椅的双壁碳纳米管的振荡特性 15

4.2 锯齿/螺旋的双壁碳纳米管的振荡特性 18

4.3 小结 19

第五章 不同温度下双壁碳纳米管的阻尼系数 21

5.1 锯齿/锯齿型双壁碳纳米管的阻尼特性曲线随温度的变化 21

5.2 锯齿/手椅型双壁碳纳米管的阻尼特性曲线随温度的变化 24

5.3 锯齿/螺旋型双壁碳纳米管的阻尼特性曲线随温度的变化 27

5.4 不同类型的双壁碳纳米管的阻尼系数随温度变化的结论 30

第六章 总结和展望 32

6.1 总结 32

6.2 展望 32

参考文献 33

致谢…………………….. ………………………………………………………………………34

纳米管振荡器的阻尼特性研究

李梦雨

20141306021

,China

Abstract Carbon nanotubes oscillator is one of the emerging materials, extremely fast, the oscillation frequency can reach dozens or even hundreds of GHZ, and simple structure, easy manufacturing, is a broad application prospect of emerging materials.

The purpose of this paper is to study the damping coefficient of double-wall carbon nanotubes as double-walled carbon nanotube inside and outside the tube of different combinations, and different temperature changes, to explore the different combinations of the damping coefficient of the carbon nanotubes, and the damping coefficient of double-wall carbon nanotubes with temperature rise will have what change.

The specific arrangement of the thesis is as follows.

First, carbon nanotubes and carbon nanotube oscillators are introduced.

Second, Introduction to theoretical basis: molecular dynamics and MS

Third, the basic operation method is introduced with (5,0) and (14,0).

Forth, the damping coefficients of two - walled carbon nanotubes with different combinations are analyzed.

Fifth, the damping coefficients of double wall carbon nanotubes with different combinations were analyzed.

Last, Summarize the experiment and analyze the deficiency.

Key words：Carbon nanotube oscillator, temperature, damping coefficient.

绪论

碳纳米管的发现和结构

在1985年，人们发现的足球结构的C₆₀吸引了科学家的注意，随着更多科学家投入研究，饭岛澄男博士，一位来自于日本电子公司（NEC）的博士，在90年代发现了碳纳米管^[1]。

碳纳米管作为优异的量子材料，是石墨，C₆₀和金刚石的同分异构体，它们的结构如图 1.1‑1所示。

图 1.1‑1结构示意图

碳纳米管可以看作是由数层石墨片围绕着同一中心轴螺旋卷曲而成的无缝纳米级管状结构，其中的C原子主要采取sp²杂化，C原子之间依靠大π 键相连，最终形成以六边形围成的圆柱面。

其中由单层石墨片组成的管叫单壁碳纳米管，如图 1.1‑2（a），有多层石墨片组成的称之为多壁碳纳米管^[2]，如图 1.1‑2（b）。

图 1.1‑2碳纳米管示意图

单壁碳纳米管

单壁碳纳米管可以看作是单层石墨片卷曲而成的，管径一般为0.7-3.0nm,长度约1-50μm。其结构可以由两个参数（n，m）决定

当m=n≠0时，称其结构为手椅型

当m=0，n≠0时，称其结构为锯齿型

其他情况时，被视为螺旋型

结构如图 1.1‑3所示，从左到右分别为手椅型，锯齿型和螺旋型

图 1.1‑3单壁碳纳米管结构示意图

多壁碳纳米管

多壁碳纳米管由数层石墨烯片沿同一中心轴螺旋卷曲的无缝管状物，其层数从2到50层不等。其中的石墨管长度约为1μm，直径则在4-30nm之间。结构比单层碳纳米管复杂。如图 1.1‑4所示。

图 1.1‑4多壁碳纳米管示意图

经过多次实验和对实验结果的分析，科研人员发现，对于双壁碳纳米管而言，由于范德华力得以稳定存在，当其内管与外管距离接近3.41埃时，其结构最为稳定^[3]。

碳纳米管的性质

身为C家族的一员，碳纳米管由于其独特的结构，和纳米级的结构型式，碳纳米管具备许多优异的性质，大致分为四个方面：

力学性质

由于碳纳米管中碳原子之间采用sp²杂化，因而具备优异的高模量和高强度性能。

碳纳米管具备良好的抗压性能，约为钢的16倍。其弹性模量约为11Pa，与金刚石相当，约为钢的5倍，同时具备优秀的抗拉强度，约为800GPa，十倍于普通石墨纤维的抗拉强度。碳纳米管在拥有良好柔韧性的同时，又具备和金刚石相当的强度，而且其熔点也是已知材料中最高的。

传热性能

碳纳米管具备优秀的导热性能，而且由于其巨大的长径比，使其拥有各向异性的传热性能，碳纳米管在横向的导热系数很高，而在纵向的导热系数很低。通过选定合适的取向，碳纳米管就可以成为具有高各向异性的热传导材料。

导电性能

由于与石墨的片层结构相似，因而碳纳米管具备优秀的导电性能。常用参数（n,m）表示碳纳米管的结构型式，如果n=m，碳纳米管就会表现出优秀的导电性能，在该方向上，碳纳米管就会表现出金属性，导电性能约为铜的一万倍，其他情况则成为半导体。

吸附性能

由于碳纳米管的结构，碳纳米管有非常大的表面积，如果作为容器，就可以提供良好的分子和原子的吸附效果。

碳纳米管的应用

在上一小节中，可以看到碳纳米管在力热光电中都具备优异的物理性质，所以，碳纳米管具备广泛的应用前景，以下将介绍碳纳米管的一些应用实例：

碳纳米管可以与其他工程材料掺杂，从而使工程材料具备更优秀的弹性，强度和抗疲劳性。优秀的传热性能使得碳纳米管可以作为良好的散热材料，。碳纳米管优异的导电性能，不仅使利用碳纳米管制作的光电二极管拥有远超传统的硅管的性能，其对于微小颗粒的电敏感性，也使得利用碳纳米管制作的纳米称可以测量病毒甚至是原子的重量。另外，由于碳纳米管的独特结构，碳纳米管不仅可以作为优秀的吸附材料，也是储存气体的优良容器。用碳纳米管作为氢气的储存容器，其密度甚至优于其他状态下的氢气密度。碳纳米管同时可以作为电子元件，相比于硅芯片，表现出更加优异的性能^{[4] [5]}。

碳纳米管振荡器

随着2000年一种基于碳纳米体系的振荡器被发现，碳纳米管振荡器逐渐进入科学家的视野之中。科学家们从各种不同的角度探究碳纳米管振荡器的振荡曲线，以研究它的特性和原理，以使碳纳米管振荡器可以应用于实际生活中。

碳纳米管具备极高的振荡频率，是现有微电子设备振荡计时器的几倍乃至几十倍，而且结构简单，易于设计，因而具备优秀的应用前景。

碳纳米管振荡器的原理被认为是：当内管被拉出后，受到外管的范德华力作用，向内部运动直至到达平衡位置，在此过程中，内管势能不断向动能变化。当内管到达平衡位置时，所受外管的范德华力平衡，内管动能达到最大值。之后，由于惯性作用，内管继续运动，再次受到范德华力作用，动能不断转化为势能，直至停止。随后，内管再次受外管的范德华力作用，继续向平衡位置移动。碳纳米管不断重复此过程，形成振荡器。然而由于运动过程中存在能量损耗，碳纳米管的振幅会逐渐降低，直至停止^[6]。

当内外管足够长时，我们可以认为内管受外管的作用力为恒力。其理论解释如下：由于范德华力存在作用距离，约为10埃，所以可以认为当内管拉出外管一定距离后，就不在受外管在范德华力作用距离外的原子的作用力。

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