К описанию механических свойств углеродных нанотрубок. Проблема толщины трубки. Масштабный эффект. Часть 1

Р.В. Гольдштейн1, В.А. Городцов1, А.В. Ченцов1, В.В. Стариков2, В.В. Стегайлов2, Г.Е. Норман2
1Институт проблем механики им. А.Ю. Ишлинского РАН, просп. Вернадского 101-1, 119526 Москва
2Объединенный институт высоких температур РАН, ул. Ижорская 13, 125412 Москва
Аннотация
При описании механических свойств нанотрубок во многих публикациях используется классическая теория упругости. Однако в случае однослойных углеродных нанотрубок и трубок с малым числом атомных слоев в их стенках не выполняются условия, необходимые для применимости приближения теории упругости. Поэтому в первой части данной статьи мы используем метод молекулярной динамики и общего энергетического анализа для описания обобщенного модуля Юнга (с размерностью поверхностной жесткости) и коэффициента Пуассона, характеризующих одноосное растяжение однослойных углеродных нанотрубок. Сильная зависимость таких обобщенных характеристик от исследуемых наномасштабов оказывается их отличительной особенностью (масштабный эффект) в отличие от аналогичных понятий теории упругости.
Здесь в части 1 мы подробно обсуждаем особенности принятого подхода и используемого полуэмпирического потенциала Терсоффа-Бреннера-Стюарта. Основные полученные результаты будут изложены в части 2.

Принята: 14 февраля 2012
Просмотры: 97   Загрузки: 30
Ссылки
1.
S. Iijima. Nature (London) 354, 56 (1991).
2.
R. Tenne, L. Margulis, M. Genut, G. Hodcs. Nature (London) 360, 444 (1992).
3.
M.M.J. Treacy, T.W. Ebbesen, J.M. Gibson. Nature(London) 381, 678 (1996).
4.
E.W. Wong, P.E. Sheeehen, C.M. Lieber. Science 277,1971 (1997).
5.
N.G. Chopra, A. Zettl. Solid State Commun. 105, 297(1998).
6.
A. Krishnan, E. Dujardin, T.N. Ebbesen, P.N. Yianilos,M.M.J. Treacy. Phys. Rev. B58, 14013 (1998).
7.
J. Muster, M. Burghard, S. Roth, C.S. Dusberg, E.Hernandez, A.J. Rubio. Vac. Sci. Technol. 16, 2796 (1998).
8.
O. Lourie, H.D. Wagner. J. Mater. Sci. 13, 2418 (1998).
9.
J.P. Salvetat, G.A.D. Briggs, J.M. Bonard, R.R. Baosa, A.J.Kulik, T. Stokli, N.A. Burnham, L. Forri. Phys. Rev. Lett.82, 944 (1999).
10.
J.P. Salvetat, J.M. Bonard, N.H. Thomson, A.J. Kulik,L. Ferro, W. Benoit, L. Zuppiroli. Appl. Phys. A69, 225(1999).
11.
J.P. Salvetat, A.J. Kulik, J.M. Bonard, G.A.D. Briggs,T. Stockli, K. Metenier, S. Bonnamy, F. Beguin, N.A.Burnham, L. Forro Adv. Mater. 11, 161 (1999).
12.
Z.W. Pan, S.S. Xie, L. Lu, B.H. Chang, L.F. Sun, W.Y. Zhou,G. Wang, D.L. Zhang. Appl. Phys. Lett. 74, 3152 (1999).
13.
P. Poncharal, Z.L. Wang, D. Ugarte, W.A. de Heer. Science.283, 15 (1999).
14.
D.A. Walters, L.M. Ericson, M.J. Casavant, J. Liu, D.T.Colbert, K.A. Smith, R.E. Smalley. Appl. Phys. Lett. 74,3803 (1999).
15.
Z.L. Wang, P. Poncharal, W.A. de Heer. J. Phys. Chem.Solids. 61, 1025 (2000).
16.
M.F. Yu, O. Lourie, M.J. Dyer, K. Maloni, T.F. Kelly, R.S.Ruoff. Science. 287, 637 (2000).
17.
M.F. Yu, B.S. Files, S. Arepally, R.S. Ruoff. Phys. Rev. Lett.84, 5552 (2000).
18.
M.F. Yu, B.I. Yakobson, R.S. Ruoff J. Phys. Chem. B104,8764 (2000).
19.
J.R. Wood, Q. Zhao, M.D. Frogley, E.R. Meurs, A.D. Prins,T. Peijs, D.J. Dunstan, H.D. Wagner. Phys. Rev. B62, 7571(2000)
20.
T.W. Tombler, C. Zhou, L. Alexseyev, J. Kong, H. Dai, L.Liu, C.S. Jayanthi, M. Tang, S.Y. Wu. Nature (London).405, 769 (2000).
21.
C.A. Cooper, R.J. Young. Proc. SPIE 4098, 172 (2000).
22.
S. Xie, W. Li, Z. Pan, B. Chang, L. Sun. J. Phys. Chem.Solids. 61, 1153 (2000).
23.
C.A. Cooper, R.J. Young, M. Halsall. Composites A32,401 (2001).
24.
Z.L. Wang, R.P. Gao, P. Poncharal, W.A. de Heer, Z.R.Dai, Z.W. Pan. Mater. Sci. Eng. C16, 3 (2001).
25.
Z.L. Wang, R.P. Gao, Z.W. Pan, Z.R. Dai. Adv. Eng. Mater.3, 657 (2001).
26.
B.G. Demczyk, Y.M. Wang, J. Cumings, M. Hetman, W.Han, A. Zettl, R.O. Ritchie. Mater. Sci. Eng. A334, 173(2002).
27.
P.A. Williams, S.J. Papadikis, A.M. Patel, M.R. Falvo,S. Washbum, R. Superfine. Phys. Rev. Lett. 89, 255502(2002).
28.
P.A. Williams, S.J. Papadikis, A.M. Patel, M.R. Falvo, S.Washbum, R. Superfine. Appl. Phys. Lett. 82, 805 (2003).
29.
S. Cuenot, C. Freitigny, S. Demoustier-Champagne, B.Nysten. J. Appl. Phys. 93, 5650 (2003).
30.
H.E. Troiani, M. Viki-Yoshida, G.A. Camacho-Bragado,M.A.L. Marques, A. Rubio, J.A. Ascencio, M. Jose-Yacaman. Nano Letters 3, 751 (2003).
31.
P. Jaroenapibal, S.B. Chikkannanavar, D.E. Luzzi, S. Evoy.Appl. Phys. Lett. 85, 4328 (2004).
32.
P. Jaroenapibal, D.E. Luzzi, S. Evoy, S. Arepalli. J. Appl.Phys. 98, 044301 (2005).
33.
B. Lukic, J.W. Seo, E. Couteau, K. Lee, S. Gradecak, R.Berkecz, K. Htrnandi, S. Depleux, T. Cacciaguerra, F.Beguin, A. Fonseca, J.B. Nagi, G. Csanyi, A. Kis, A.J.Kulik, L. Forro. J. Appl. Phys. A80, 695 (2005).
34.
J. Gaillard, M. Skove, A.M. Rao. Appl. Phys. Lett. 86,233109 (2005).
35.
A.R. Hall, L. An, J. Liu, L. Vicci, M.R. Falvo, R. Superfine,S. Washburn. Phys. Rev. Lett. 96, 256102 (2006).
36.
M. Nakajiama, M. Arai, T. Fukuda. IEEE Trans. Nanotech.5, 243 (2006).
37.
K. Enomoto, S. Kitakata, T. Yasuhara, N. Ohtake, T.Kuzumaki, Y. Mitsuda. Appl. Phys. Lett. 88, 153115(2006).
38.
G. Guhados, W. Wan, X. Sun, J.L. Hutter. J. Appl. Phys.101, 033514 (2007).
39.
W. Ding, L. Calabri, K.M. Kohlhaas, X. Chen, D.A.Ditkin, R.S. Ruoff. Exper. Mech. 47, 25 (2007).
40.
K.T. Kashyap, R.G. Patil. Bull. Mater. Sci. 31, 185 (2008).
41.
X.L. Wei, Y. Liu, Q. Chen, M.S. Wang, L.M. Peng. Adv.Funct. Mater. 18, 1555 (2008).
42.
B. Bhushan, X. Ling. Phys. Rev. B78, 045429 (2008).
43.
A.K. Ojha, A. Materny. J. Raman Spectrosc. (2009).
44.
B.I. Yakobson, P. Avouris. Topics Appl. Phys. 80, 287(2001).
45.
D. Qian, G.J. Wagner, W.K. Liu, M.F. Yu, R.S. Ruoff. Appl.Mech. Rev. 55, 495 (2002).
46.
R.S. Ruoff, D. Qian, W.K. Liu. C. R. Physique 4, 993(2003).
47.
D. Srivastava, C. Wei, K. Cho. Appl. Mech. Rev. 56, 215(2003).
48.
M.F. Yu. Trans. ASME, J. Eng. Mater. and Techn. 126, 271(2004).
49.
J.P. Salvetat, S. Bhattacharyya, R.B. Pipes. Nanosci. J.Nanotechn. 6, 1857 (2006).
50.
J.P. Salvetat, G. Desarmot, C. Gautier, P. Poulin. Lect.Notes Phys. 677, 439 Springer. Berlin, Heidelberg (2006).
51.
A.V. Eletskii. Phys. Usp. 50, 225 (2007).
52.
O.A. Shenderova, V.V. Zhirnov, D.W. Brenner. Crit. Rev.Solid State Mater. Sci. 27, 227 (2002).
53.
L.M. Peng, Z.L. Zang, Z.Q. Xue, Q.D. Wu, Z.N. Gu, D.G.Pettifor. Phys. Rev. Lett. 85, 3249 (2000).
54.
X. Zhao, Y. Liu, S. Inoue, T. Suzuki, R.O. Jones, Y. Ando.Phys. Rev. Lett. 92, 125502 (2004).
55.
E. Hernandez, C. Goze, P. Bernier, A. Rubio. Phys. Rev.Lett. 80, 4502 (1998).
56.
Z.T. Tu, Z.C. Ou-Yang. Phys. Rev. 65, 233407 (2002).
57.
T. Vodenitcharova, L.C. Zhang. Phys. Rev. B68, 165401(2003).
58.
M.S. Dresselhaus, G. Dresselhaus, J.C. Charlier, E.Hernandez. Phil. Trans. R. Soc. Lond. A362, 2065 (2004).
59.
Y. Huang, J. Wu, K.C. Hwang. Phys. Rev. B74, 245413(2006).
Цитирования
1.
Goldstein R.V., Gorodtsov V.A., Lisovenko D.S., Doklady Physics 58(9), 400-404 (2013).
2.
Гольдштейн Р.В., Городцов В.А., Лисовенко Д.С., Физическая мезомеханика 17(5), 5-14 (2014).
3.
Гольдштейн Р.В., Городцов В.А., Ченцов А.В., Стариков С.В., Стегайлов В.В., Норман Г.Э., Письма о материалах 2(4), 190-193 (2011).
4.
Гольдштейн Р.В., Городцов В.А., Лисовенко Д.С., Физическая мезомеханика 19(1), 5-14 (2016).
5.
Баимова Ю.А., Фундаментальные проблемы современного материаловедения 10(4), 553-557 (2013).
6.
Goldstein R.V., Gorodtsov V.A., Lisovenko D.S., Physical Mesomechanics 18(3), 213-222 (2015).
7.
Goldshtein R.V., Gorodtsov V.A., Lisovenko D.S., Volkov M.A., Smart Materials and Structures 25(5), 054006 (2016).
8.
Goldstein R.V., Gorodtsov V.A., Lisovenko D.S., Physical Mesomechanics 19(3), 229-238 (2016).
9.
Гольдштейн Р.В., Городцов В.А., Лисовенко Д.С., Письма о материалах 6(4 (24)), 249-252 (2016).