I. Giới Thiệu Tổng Quan Về Hệ NEMS Tiềm Năng Ứng Dụng
Sự phát triển vượt bậc của khoa học, kỹ thuật và công nghệ, đặc biệt trong lĩnh vực vật liệu NEMS và công nghệ nano, đã mở rộng phạm vi nghiên cứu. Các thiết bị hiện đại ngày càng đòi hỏi tính nhỏ gọn, tiết kiệm năng lượng và độ tin cậy cao. Do đó, việc nghiên cứu và phát triển hệ NEMS (Nanoelectromechanical Systems) là một yêu cầu tất yếu, là bước tiến tiếp theo của hệ vi cơ điện tử (MEMS). Hệ NEMS là thiết bị có kích thước ở thang đo nanomet, khối lượng cực nhỏ và tỉ số diện tích bề mặt so với khối lượng lớn hơn nhiều so với MEMS, hứa hẹn tiềm năng phát triển lớn trong tương lai. Đặc biệt, hệ NEMS cộng hưởng với thành phần cơ học là ống nano cacbon (Carbon nanotube – CNT) có nhiều đặc tính ưu việt để tạo ra các cảm biến nano siêu nhạy. Ứng dụng NEMS ngày càng đa dạng trong nhiều lĩnh vực.
1.1. Cấu Tạo và Nguyên Lý Hoạt Động Chung Của Hệ NEMS
Hệ NEMS bao gồm các bộ phận chính: bộ phận nhận tín hiệu đầu vào, bộ phận xuất tín hiệu ở ngõ ra, bộ phận điều khiển và hệ cơ học. Nguyên lý hoạt động là chuyển đổi tín hiệu đầu vào thành dao động của phần tử cơ học. Tần số dao động thay đổi theo sự tác động của tín hiệu điều khiển (điện, khối lượng hấp thụ). Các dao động cơ học sau đó được chuyển thành tín hiệu điện có thể đọc được. Theo một nghiên cứu, để xác định các dao động cơ học và tần số cộng hưởng NEMS, người ta sử dụng mạch điện như Hình 1.2, hệ này sẽ hoạt động như một transistor.
1.2. Hệ NEMS Với Thành Phần Cơ Học Là Ống Nano Cacbon
Hệ NEMS với thành phần cơ học là CNT có cấu tạo gồm ống nano carbon được ngàm chặt bởi hai điện cực ở hai đầu và đặt trên điện cực điều khiển. Giữa điện cực điều khiển và CNT đặt đồng thời hai loại điện áp: một chiều (DC) và xoay chiều (AC). Điện áp DC tạo ra lực điện từ để điều chỉnh độ căng của CNT. Điện áp AC với tần số 𝜔 giúp tạo ra dao động cơ học trên ống nano cacbon. Khi tần số dao động của nguồn AC trùng với tần số cộng hưởng NEMS, hiện tượng cộng hưởng xảy ra, chuyển vị và biên độ dao động là lớn nhất.
II. Các Vấn Đề Thách Thức Trong Mô Hình Hóa NEMS Hiện Nay
Mặc dù hệ NEMS hứa hẹn nhiều tiềm năng, việc mô hình hóa NEMS và thiết kế NEMS vẫn còn nhiều thách thức. Các nghiên cứu trước đây đã được thực hiện trên phương diện lý thuyết, mô phỏng và thí nghiệm. Tuy nhiên, vẫn tồn tại một số hạn chế như sự khác biệt giữa lý thuyết và thí nghiệm, chỉ mô phỏng NEMS được CNT có chiều dài nhỏ, điều kiện kỹ thuật và thiết bị không đảm bảo độ chính xác, cộng với chi phí thực hiện rất tốn kém. Để khắc phục các hạn chế đó, nghiên cứu này sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để mô hình hóa và thiết kế hệ NEMS theo hướng tiếp cận phân tích đa trường.
2.1. Hạn Chế Của Các Nghiên Cứu Mô Phỏng NEMS Đã Công Bố
Các nghiên cứu trước đây về mô phỏng NEMS thường gặp phải một số hạn chế. Sự sai khác giữa kết quả mô phỏng NEMS và kết quả thực nghiệm là một vấn đề lớn. Bên cạnh đó, khả năng mô phỏng NEMS với CNT có kích thước lớn còn hạn chế do yêu cầu tính toán cao. Chi phí cho các thí nghiệm thực tế trên NEMS cũng rất lớn, gây khó khăn cho việc kiểm chứng các mô hình.
2.2. Sự Cần Thiết Của Phân Tích Đa Trường Trong Thiết Kế NEMS
Phân tích đa trường là yếu tố quan trọng trong thiết kế NEMS. Hệ NEMS hoạt động dựa trên sự tương tác của nhiều lĩnh vực vật lý khác nhau, như tương tác điện cơ, tương tác nhiệt cơ và tương tác chất lỏng cơ. Việc bỏ qua bất kỳ tương tác nào có thể dẫn đến kết quả mô phỏng NEMS không chính xác. Do đó, cần có phương pháp tiếp cận phân tích đa trường để đảm bảo độ chính xác NEMS và độ bền NEMS trong thiết kế NEMS.
III. Phương Pháp Phân Tích Đa Trường Trong Mô Hình Hóa Hệ NEMS
Nghiên cứu này tập trung vào việc sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) để mô hình hóa NEMS theo hướng phân tích đa trường. Trong đó, mô hình đàn hồi liên tục được sử dụng để mô hình hóa CNT, và phần tử Trans126 được dùng để mô tả tương tác điện cơ. Các kết quả nghiên cứu này chứng minh rằng phương pháp được sử dụng có kết quả hoàn toàn tương đồng với các nghiên cứu trước đây. Đồng thời cũng chỉ ra rằng có thể điều chỉnh tần số dao động NEMS thông qua việc thay đổi điện áp một chiều đặt giữa điện cực và CNT. Tần số cộng hưởng NEMS tỉ lệ thuận với điện áp DC.
3.1. Sử Dụng Mô Hình Đàn Hồi Liên Tục Cho Ống Nano Cacbon
Mô hình đàn hồi liên tục là một phương pháp hiệu quả để mô hình hóa CNT trong NEMS. Phương pháp này đơn giản hóa cấu trúc nguyên tử của ống nano cacbon, giúp giảm đáng kể chi phí tính toán so với các phương pháp khác như mô hình nguyên tử. Tuy nhiên, cần lưu ý rằng mô hình đàn hồi liên tục có thể không chính xác đối với các CNT có kích thước quá nhỏ.
3.2. Mô Tả Tương Tác Điện Cơ Với Phần Tử TRANS126 Trong ANSYS
Phần tử TRANS126 trong phần mềm mô phỏng NEMS ANSYS được sử dụng để mô tả tương tác điện cơ giữa CNT và điện cực. Phần tử này cho phép tính toán lực tĩnh điện tác dụng lên CNT do điện áp đặt vào, từ đó xác định ảnh hưởng của điện áp đến tần số dao động NEMS. Theo tài liệu ANSYS, TRANS126 thể hiện quan hệ giữa điện dung và khoảng cách hai bản cực của phần tử.
3.3. Các Bước Giải Bài Toán Mô Hình Hóa NEMS Trên ANSYS
Giải bài toán mô hình hóa NEMS trên ANSYS bao gồm các bước: Xây dựng mô hình hình học của hệ NEMS (CNT, điện cực), Gán vật liệu cho các thành phần, Chia lưới phần tử hữu hạn, Định nghĩa các điều kiện biên và tải trọng (điện áp), Giải bài toán để tìm ra tần số dao động và chuyển vị, Phân tích kết quả.
IV. Ứng Dụng Cảm Biến Khối Lượng Siêu Nhạy Từ Hệ NEMS
Nghiên cứu cũng khảo sát ứng xử của hệ NEMS cho ứng dụng NEMS cảm biến khối lượng ở thang đo nano. Khả năng phát hiện khối lượng cực nhỏ dựa trên sự thay đổi tần số cộng hưởng NEMS khi có khối lượng bám vào CNT. Việc điều chỉnh điện áp đầu vào và theo dõi sự thay đổi tần số cộng hưởng NEMS cho phép tạo ra các cảm biến nano siêu nhạy, có thể phát hiện khối lượng ở cấp độ nguyên tử. Đây là một trong những ứng dụng tiềm năng nhất của hệ NEMS.
4.1. Quan Hệ Giữa Tần Số NEMS Và Độ Dài Ống Nano Cacbon
Tần số cộng hưởng NEMS phụ thuộc vào độ dài CNT. Khi độ dài CNT tăng, tần số NEMS sẽ giảm. Mối quan hệ này có thể được sử dụng để tối ưu hóa thiết kế NEMS cho các ứng dụng cụ thể. Theo các nghiên cứu, sự thay đổi của tần số NEMS tuân theo một quy luật nhất định khi độ dài CNT thay đổi.
4.2. Quan Hệ Giữa Tần Số NEMS Và Khối Lượng Hấp Thụ
Khi có khối lượng hấp thụ trên CNT, tần số cộng hưởng NEMS sẽ giảm. Mức độ giảm tần số phụ thuộc vào lượng khối lượng hấp thụ. Mối quan hệ này được sử dụng để chế tạo cảm biến NEMS có khả năng phát hiện khối lượng cực nhỏ. Điện áp một chiều (DC) có tác dụng điều chỉnh sự nhạy NEMS đối với khối lượng.
V. So Sánh Đánh Giá Kết Quả Nghiên Cứu Và Hướng Phát Triển
Kết quả nghiên cứu cho thấy sự tương đồng với các nghiên cứu trước đây về mô hình hóa NEMS và thiết kế NEMS. Điều này khẳng định tính đúng đắn và tin cậy của phương pháp phân tích đa trường được sử dụng. Hướng phát triển tiếp theo của đề tài là nghiên cứu sâu hơn về ảnh hưởng của các yếu tố khác nhau đến độ nhạy NEMS và độ chính xác NEMS trong các ứng dụng NEMS khác nhau, đồng thời nghiên cứu các phương pháp tối ưu hóa thiết kế NEMS để nâng cao hiệu suất hoạt động.
5.1. So Sánh Kết Quả Với Các Nghiên Cứu Đã Công Bố
Việc so sánh kết quả mô phỏng NEMS với các nghiên cứu đã công bố là rất quan trọng để đánh giá độ tin cậy của mô hình. Nếu kết quả mô phỏng NEMS tương đồng với các nghiên cứu trước đây, điều này chứng tỏ rằng mô hình được xây dựng là chính xác và có thể được sử dụng để dự đoán hành vi của NEMS trong thực tế.
5.2. Hướng Phát Triển Tiềm Năng Của Nghiên Cứu Hệ NEMS
Các hướng phát triển tiềm năng của nghiên cứu hệ NEMS bao gồm: Nghiên cứu các vật liệu mới cho NEMS (ví dụ: graphene), Phát triển các phương pháp mô phỏng NEMS tiên tiến hơn (ví dụ: sử dụng động lực học phân tử), Khám phá các ứng dụng NEMS mới (ví dụ: trong lĩnh vực y sinh). Nghiên cứu sâu hơn về tương tác nhiệt cơ và tương tác chất lỏng cơ trong hệ NEMS cũng là một hướng đi đầy hứa hẹn.
