I. Hiện tượng nóng chảy dải graphene
Hiện tượng nóng chảy của dải graphene là quá trình chuyển pha từ trạng thái rắn sang lỏng khi nhiệt độ tăng. Nghiên cứu này sử dụng phương pháp động lực học phân tử (MD) để mô phỏng quá trình nóng chảy của graphene nanoribbons (GNRs) từ 300 K đến 12000 K. Kết quả cho thấy nhiệt độ nóng chảy của GNRs khoảng 7820 K, cao hơn so với các nghiên cứu trước đây. Quá trình nóng chảy bắt đầu từ cạnh dải và lan dần vào bên trong, tạo ra các khuyết tật cấu trúc như Stone-Wales và single-vacancy.
1.1. Cơ chế nóng chảy
Cơ chế nóng chảy của GNRs được xác định thông qua sự thay đổi của các đại lượng như năng lượng toàn phần, nhiệt dung riêng, và hàm phân bố xuyên tâm (RDF). Khi nhiệt độ tăng, các liên kết carbon bị phá vỡ, dẫn đến sự hình thành các vòng cấu trúc lớn và khuyết tật. Quá trình này được mô phỏng bằng phần mềm LAMMPS và phân tích bằng các công cụ như VMD và Origin.
1.2. Khuyết tật cấu trúc
Trong quá trình nóng chảy, các khuyết tật cấu trúc như Stone-Wales, single-vacancy, và di-vacancies xuất hiện. Những khuyết tật này đóng vai trò quan trọng trong việc thúc đẩy quá trình nóng chảy. Các vòng lớn hình thành từ các khuyết tật này là dấu hiệu cho sự chuyển pha từ trạng thái rắn sang lỏng.
II. Phương pháp động lực học phân tử
Phương pháp động lực học phân tử (MD) được sử dụng để mô phỏng quá trình nóng chảy của GNRs. Phương pháp này dựa trên các thế tương tác như LCBOP-I để mô tả liên kết giữa các nguyên tử carbon. Các phần mềm hỗ trợ như LAMMPS, ISAACS, và VMD được sử dụng để phân tích kết quả mô phỏng.
2.1. Thế tương tác LCBOP I
Thế tương tác LCBOP-I được sử dụng để mô tả liên kết giữa các nguyên tử carbon trong GNRs. Thế này bao gồm cả liên kết ngắn và dài, giúp mô phỏng chính xác quá trình nóng chảy. Các thông số của thế tương tác được điều chỉnh để phù hợp với tính chất của vật liệu nano như graphene.
2.2. Phân tích kết quả mô phỏng
Kết quả mô phỏng được phân tích thông qua các đại lượng như năng lượng toàn phần, nhiệt dung riêng, và hàm phân bố xuyên tâm (RDF). Các phần mềm như VMD và Origin được sử dụng để trực quan hóa kết quả và xác định các khuyết tật cấu trúc trong quá trình nóng chảy.
III. Tính chất nhiệt động lực học
Nghiên cứu tập trung vào tính chất nhiệt động lực học của quá trình nóng chảy GNRs. Các đại lượng như năng lượng toàn phần, nhiệt dung riêng, và hàm phân bố xuyên tâm (RDF) được khảo sát để hiểu rõ cơ chế nóng chảy. Kết quả cho thấy sự thay đổi đáng kể của các đại lượng này khi nhiệt độ tăng.
3.1. Năng lượng toàn phần
Năng lượng toàn phần của hệ thống tăng dần khi nhiệt độ tăng, đạt giá trị cực đại tại nhiệt độ nóng chảy. Sự thay đổi này phản ánh quá trình phá vỡ liên kết carbon và hình thành các khuyết tật cấu trúc.
3.2. Nhiệt dung riêng
Nhiệt dung riêng của GNRs tăng đột ngột tại nhiệt độ nóng chảy, cho thấy sự chuyển pha từ trạng thái rắn sang lỏng. Đây là dấu hiệu quan trọng để xác định nhiệt độ nóng chảy của vật liệu.
IV. Ứng dụng thực tiễn
Nghiên cứu về hiện tượng nóng chảy dải graphene có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển các vật liệu nano ứng dụng trong lĩnh vực điện tử và năng lượng. Hiểu rõ cơ chế nóng chảy giúp cải thiện tính chất của graphene trong các thiết bị bán dẫn và transistor.
4.1. Ứng dụng trong điện tử
GNRs với tính chất bán dẫn được ứng dụng trong các transistor hiệu ứng trường (FET). Nghiên cứu về nhiệt độ nóng chảy giúp tối ưu hóa hiệu suất của các thiết bị điện tử sử dụng graphene.
4.2. Ứng dụng trong vật liệu composite
GNRs cũng được sử dụng trong các vật liệu composite nhờ tính chất cơ học và nhiệt học vượt trội. Hiểu rõ quá trình nóng chảy giúp cải thiện độ bền và tính ổn định của các vật liệu này.
