基于分子动力学的石墨烯纳米谐振器设计方法及其性能研究

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1、分类号密级太原理工大学博士学位论文题目基于分子动力学的石墨烯纳米谐振器设计方法及其性能研究英文并列题目Moleculardynamicsstudyondesignmethodandcharacteristicsofgraphenebasednano-resonator研究生姓名：魏也学号：2011310040专业：电路与系统研究方向：微纳传感理论及其仿真导师姓名：张文栋职称：教授学位授予单位：太原理工大学论文提交日期2017-12地址：山西·太原太原理工大学万方数据声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下，独立进行研究

2、所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人或集体己经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。论文作者签名：日期：关于学位论文使用权的说明本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其中包括：○1学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；○2学校可以采用影印、缩印或其它子复制手段复制并保存学位论文；○3学校可允许学位论文被查阅或借阅；○4学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；○5学校可以公布学位论文的全部或部分内容

3、（保密学位论文在解密后遵守此规定）。签名：日期：导师签名：日期：万方数据太原理工大学博士研究生学位论文基于分子动力学的石墨烯纳米谐振器设计方法及其性能研究摘要石墨烯纳米谐振器(GNR)具有高谐振频率和较好稳定性，作为新型电路元器件在微纳电子学中有重要应用。离子束技术是用于微纳集成电路设计的加工工艺，通过提高对其工艺参数的控制精度，可实现GNR的设计加工。但该技术的使用以实验手段为主，需要投入测试时间和研究经费，理论分析工具的缺乏限制了其应用。同时，在微纳电路设计测试中，尚无法实现对石墨烯纳米谐振器在不同工作模态下的谐振频率测量和分析，制约

4、了基于类石墨烯的谐振器在集成电路中的集成化和微型化。本文使用分子动力学模拟方法对以上问题进行深入研究。一方面对于离子束技术的工艺参数进行系统对比；另一方面对于GNR谐振性能进行分析和模拟。主要研究内容如下：1、研究离子束注入的微观动力学过程。基于统计热力学理论，采用可视化分子动力学方法系统研究影响注入过程的相关工艺参数，对比和讨论注入元素类型、离子尺寸(数量)、初始注入能量、注入角度及温度对注入过程影响。研究注入率与注入深度与以上参数之间的函数关系。2、探究使用离子束技术设计掺杂石墨烯纳米带动态微观模型的建立方法。比较不同原子类型、能量、

5、注入位置对掺杂结果的影响。3、研究基于石墨烯纳米带的二维谐振器振动模型，利用大规模分子原子动力学软件对石墨烯纳米带谐振器频率特性进行分析。同时比较掺杂方式对谐振频率及品质因子的影响。4、研究基于类石墨烯结构的三维谐振器模型。建立石墨烯-碳纳米管混I万方数据太原理工大学博士研究生学位论文合结构，系统对比硼氮元素以及不同掺杂方式对其拉伸性能的影响，给出外力激励与纳观响应的对应关系。主要创新成果有如下三个方面：a.通过所建立的离子注入模型，使用分子动力学方法在飞秒量级和纳米精度复现了界面处纳观相变过程，可直观预测表面精细形貌。系统研究了不同工艺

6、参数对注入过程的影响，使用注入率、注入深度衡量注入特性，发现了硅、铜、碳等常用元素在不同注入能量域内的新特征，揭示了低能量下的离子注入机理。发现在低能量域离子尺寸和注入率的类线性关系。b.建立了GNR振动模型，观测记录了不同掺杂原子类型和掺杂密度的振动行为，解决了实验中无法精确分析测试频率和计算品质因子的问题，发现通过调控掺杂原子数量可有效调控正弦模态激励下的谐振频率。同时发现谐振频率随掺杂比例的增加而降低，不同掺杂比例对品质因子影响不同。c.搭建了软件计算环境和测试平台，为理论分析和数值模拟提供了有力工具。本文提出的结合分子动力学模拟的

7、设计方法可用于离子束加工纳米谐振器和预测表面形貌。所阐明的GNR振动机理可为基于石墨烯的纳米谐振器应用在微纳电路中的性能分析提供理论支持。同时，所使用模拟技术和分析方法可拓展应用于其它类石墨烯并具有复杂振动模态的纳米谐振器。关键词：可视化分子动力学，离子注入，石墨烯谐振频率，品质因数，能量耗散II万方数据太原理工大学博士研究生学位论文MOLECULARDYNAMICSSTUDYONDESIGNMETHODANDCHARACTERISTICSOFGRAPHENEBASEDNANO-RESONATORABSTRACTGraphenenanor

8、esonator(GNR),owninghighresonatingfrequencyandgoodstability,isemergingasimportantnovelelectronic