МОДЕЛЮВАННЯ ТУНЕЛЬНОЇ ПРОВІДНОСТІ У ВОГНЕТРИВКИХ КОМПОЗИТНИХ СИСТЕМАХ НАНОТРУБКИ/ДІЕЛЕКТРИК

I. Zhydenko, Halyna Klym

Анотація


Розглянуто підхід до розрахунку інтегральної провідності модельної вогнетривкої композиційної системи нанотрубка/діелектрик. У запропонованій проаналізовано два типи провідності: провідність між нанотрубками у точках їх контакту та власна провідність нанотрубок. Продемонстровано, що електрична провідність з'єднання між трубками базується на тунельному ефекті.

Розроблено програмне забезпечення для моделювання провідності композиту нанотрубка-діелектрик з використанням моделі «твердого ядра». Моделювання полягало в дослідженні впливу ефекту тунелювання на загальну провідність нанокомпозиту, описаного моделлю «hard core» для нанотрубок. Для порівняння також була реалізована модель «soft core».

Змодельовано провідність випадкової мережі нанотрубок, сформованих у діелектричному середовищі, з урахуванням тунельної провідності між окремими нанотрубками, розташованими в безпосередній близькості, та з урахуванням внутрішньої провідності нанотрубок. Продемонстровано, що провідність нанотрубок зростає при  збільшенні вмісту їх об’ємної частки як при використанні моделі «hard core», так і «soft core». Показано, що модель «hard core» може бути ефективно використана для прогнозування параметрів виготовленого композиту, що є важливим кроком до створення матеріалу з бажаними властивостями для застосування у електроніці.

Досліджено вплив параметра відстані тунелювання на провідність системи нанотрубка-діелектрик. Результати моделювання узгоджуються з експериментальними даними, отриманими іншими дослідниками, а також вказують на різницю для випадків нанотрубок, що перекриваються (модель «soft core») і нанотрубок, що не перекриваються (модель «hard core»). Порівняння з результатами вимірювань показує, що модель «жорсткого ядра» можна ефективно використовувати для прогнозування параметрів виготовленого композиту, що є важливим кроком до створення матеріалу з бажаними властивостями. Показано, що при використанні нанотрубок більшого діаметру погіршується провідність у композитні системі. Це зумовлено зменшенням ефекту перколяції для нанотрубок більшого діаметру.

Ключові слова: нанокомпозит, нанотрубка, тунельна провідність, компютерне моделювання.


Повний текст:

PDF (English)

Посилання


  1. Qiu S. Solution‐processing of high‐purity semiconducting single‐walled carbon nanotubes for electronics devices / S. Qiu, K. Wu, D. Gao, L. Li, H. Jin, Q. Li // Advanced Materials. – 2019. – Vol. 31(9). – P. 1800750.
  2. Xia F. High-performance carbon nanotube-based transient complementary electronics / F. Xia, T. Xia, L. Xiang, F. Liu, W. Jia, X. Liang, Y. Hu // ACS Applied Materials & Interfaces. – 2022. – Vol. 14(10). – P. 12515-12522.
  3. Zhang S. Emerging Internet of Things driven carbon nanotubes-based devices / S. Zhang, J. Pang, Y. Li, F. Yang, T. Gemming, K. Wang, ...M.H. Rümmeli // Nano Research. – 2022. – P. 1-25.
  4. Jain N. Plethora of Carbon nanotubes applications in various fields–A state-of-the-art-review / N. Jain, E. Gupta, N.J. Kanu // Smart Science. – 2022. – Vol. 10(1). – P. 1-24.
  5. Boschetto G. Graphene and carbon nanotubes for electronics nanopackaging / G. Boschetto, S. Carapezzi, A. Todri-Sanial // IEEE Open Journal of Nanotechnology. – 2021. – Vol. 2. – P. 120-128.
  6. Pang J. Applications of carbon nanotubes in the internet of things era / J. Pang, A. Bachmatiuk, F. Yang, H. Liu, W. Zhou, M.H. Rümmeli, G. Cuniberti // Nano-Micro Letters. – 2021. – Vol. 13(1). – P. 1-15.
  7. Bauhofer W. A review and analysis of electrical percolation in carbon nanotube polymer composites / W. Bauhofer, J.Z. Kovacs // Composites science and technology. – 2009. – Vol. 69(10). – P. 1486-1498.
  8. Zare Y. Simulation of percolation threshold, tunneling distance, and conductivity for carbon nanotube (CNT)-reinforced nanocomposites assuming effective CNT concentration / Y. Zare, K. Y. Rhee // Polymers. – 2020. – Vol. 12(1). – P. 114.
  9. Tarlton T. A stochastic approach towards a predictive model on charge transport properties in carbon nanotube composites / T. Tarlton, J. Brown, B. Beach, P.A. Derosa // Composites Part B: Engineering. – 2016. – Vol. 100. – P. 56-67.
  10. Molotnikov A. Percolation mechanism of failure of a planar assembly of interlocked osteomorphic elements / A. Molotnikov, Y. Estrin, A.V. Dyskin, E. Pasternak, A.J. Kanel-Belov // Engineering fracture mechanics. – 2007. – Vol. 74(8). – P. 1222-1232.
  11. Mun S. C. A new approach to determine rheological percolation of carbon nanotubes in microstructured polymer matrices / S.C. Mun, M. Kim, K. Prakashan, H.J. Jung, Y. Son, O.O. Park // Carbon. – 2014. – Vol. 67. – P. 64-71.
  12. Karbovnyk I. Random nanostructured metallic films for environmental monitoring and optical sensing: experimental and computational studies / I. Karbovnyk, J. Collins, I. Bolesta, A. Stelmashchuk, A. Kolkevych, S. Velupillai, H. Klym, O. Fedyshyn, S. Tymoshuk, I. Kolych // Nanoscale Research Letters. – 2015. – Vol. 10. – P. 151.1-151.5.
  13. Luo D. Effects of the distribution and geometry of carbon nanotubes on the macroscopic stiffness and microscopic stresses of nanocomposites / D. Luo, W.X. Wang, Y. Takao // Composites Science and Technology. – 2007. – Vol. 67(14). – P. 2947-2958.
  14. Wang J. F. Multiscale simulation of mechanical properties and microstructure of CNT-reinforced cement-based composites / J.F. Wang, L.W. Zhang, K. M. Liew // Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering. – 2017. – Vol. 319. – P. 393-413.
  15. Marconnet A. M. Thermal conduction phenomena in carbon nanotubes and related nanostructured materials / A.M. Marconnet, M.A. Panzer, K.E. Goodson / Reviews of Modern Physics. – 2013. – P. 85(3). – P. 1295.
  16. Pan J. Influence of agglomeration parameters on carbon nanotube composites / J. Pan, L. Bian // Acta Mechanica. – 2017. – Vol. 228(6). – P. 2207-2217.
  17. Matsuda K. Properties of carbon nanotube complex systems and computer experiments / K. Matsuda, K. Hanami, Y. Maniwa // RIST News. – 2008. P. 3-12.
  18. Hu N. The electrical properties of polymer nanocomposites with carbon nanotube fillers / N. Hu, Z. Masuda, C. Yan, G. Yamamoto // Nanotechnology. – 2008. – Vol. 19(21). – P. 215701.
  19. Grujicic M. A computational analysis of the percolation threshold and the electrical conductivity of carbon nanotubes filled polymeric materials / M. Grujicic, G. Cao, W.N. Roy // Journal of materials science. – 2004. – Vol. 39(14). – P. 4441-4449.
  20. Fu X. Comprehensive analysis on the electrical behavior of highly stretchable carbon nanotubes/polymer composite through numerical simulation / X. Fu, A.M. Al-Jumaily, M. Ramos, Y.F. Chen // Journal of Materials Research. – 2018. – Vol. 33(20). – P. 3398-3407.
  21. Büttiker M. Generalized many-channel conductance formula with application to small rings / M. Büttiker, Y. Imry, R. Landauer, S. Pinhas // Phys Rev B. – 1985. – Vol. 31. – P. 6207-6215.
  22. Tamura R. Electronic transport in carbon nanotube junctions / R. Tamura, M. Tsukada // Solid State Commun. – 1997. – Vol. 101(8). – P. 601-605.
  23. Xie S. Mechanical and physical properties on carbon nanotube / S. Xie, W. Li, Z. Pan, B. Chang, L. Sun // Journal of Physics and Chemistry of solids. – 2000. – Vol. 61(7). – P. 1153-1158.
  24. Buldum A. Contact resistance between carbon nanotubes / A. Buldum, J.P. Lu // Phys. Rev. B. - 2001. – Vol. 63. – P. 161403-6.
  25. Hertel T. Deformation of carbon nanotubes by surface van der Waals forces / T. Hertel, R.E. Walkup, P. Avouris Phys. Rev. B. – 1998. – Vol. 58. – P. 13870-3.
  26. Girifalco L.A. Carbon nanotubes, buckyballs, ropes and a universal graphitic potential / L.A. Girifalco, M. Hodak, R.S. Lee // Phys. Rev. B. – 2000. – Vol. 62. – P. 13104.
  27. Simmons J.G. Generalized formula for the electric tunnel effect between similar electrodes separated by a thin insulating film / J.G. Simmons // J. Appl. Phys. – 1963. – Vol. 34(6). – P. 1793-1803.
  28. Li X. S. An overview of SuperLU: algorithms, implementation, and user interface / X. S. Li // ACM Transactions on Mathematical Software (TOMS) toms. – 2005. – Vol. 31(3). – P. 302-325.
  29. Li X.S. SuperLU users` guide / X.S. Li, J.W. Demmel, J.R. Gilbert, L. Grigori, M. Shao, I. Yamazaki // Lawrence Berkeley National Laboratory, 1999.
  30. Demmel J.W. A supernodal approach to sparse matrix pivoting / J.W. Demmel, S.C. Eisenstat, J.R. Gilbert, X.S. Li, J.W.H. Liu // SIAM J. Matrix Analysis and Applications. – 1999. – Vol. 20(3). - P. 720-755.




DOI: http://dx.doi.org/10.30970/eli.19.2

Посилання

  • Поки немає зовнішніх посилань.