Cálculo de las propiedades térmicas y mecánicas de nanotubos de carbono a partir de la dispersión de fonones
DOI:
https://doi.org/10.46842/ipn.cien.v25n2a02Palabras clave:
nanotubos de carbono, electrostricción, densidad de estados de fonones, efectos opto-mecánicosResumen
La importancia de estudiar a los nanotubos de carbono (CNT) desde una perspectiva de cristalinidad es de suma importancia ya que sus propiedades son altamente modificadas en función de su distribución atómica. Este trabajo, describe el cálculo de propiedades térmicas y mecánicas de CNT cristalinos (C-CNT) y de baja cristalinidad (LC-CNT) por medio del estudio numérico de la dispersión de fonones. La estructura de bandas y la densidad de estados de los fonones se obtuvieron por medio de un programa de cómputo (QuantumATK) y considerando CNT de las mismas dimensiones morfológicas. La diferencia en la dispersión de fonones entre los materiales resultó determinante en las propiedades térmicas y mecánicas. A pesar de que la capacidad calorífica es similar en ambos CNT, se observó una diferencia de 1 orden de magnitud para la conductividad térmica. Así mismo, el módulo de Young se calculó en 5.4 MPa para los C-CNT y en 73.6 MPa para los LCCNT. Estas diferencias se atribuyen a los valores de la velocidad del sonido en los materiales. Por otra parte, los CNT tienen una gran relación de aspecto y por tanto presentan una alta polarización molecular, lo cual lo hace un material atractivo para modular las propiedades mecánicas mediante el efecto de electrostricción. El cambio de la densidad y el módulo de Young se calcularon considerando una fuente de luz con una irradiancia entre 0.1 a 1.0 GW/cm2, tomando como base las propiedades ópticas lineales y no-lineales de los CNT de investigaciones previas. Los resultados aproximan las propiedades térmicas y mecánicas de C-CNT y/o LC-CNT analizando los modos fundamentales de vibración atómica.
Referencias
Z. Yang, J. Tian, Z. Yin, C. Cui, W. Quian, F. Wei, “Carbon nanotube- and graphene-based nanomaterials and applications in high-voltage supercapacitor: A review,” Carbon, vol. 141, pp. 467-480, 2019, doi: https://doi.org/10.1016/j.carbon.2018.10.010
Z. Li, B. Bai, C. Li, Q. Dai, “Efficient photo-thermionic emission from carbon nanotube arrays,” Carbon, vol. 96, pp. 641-646, 2016, doi: https://doi.org/10.1016/j.carbon.2015.09.074
J. García-Merino, E. Jímenez-Marín, C. Mercado-Zúñiga, M. Trejo-Valdez, J. Vargas-García, C. Torres-Torres, “Quantum and bistable magneto-conductive signatures in multiwall carbon nanotubes decorated with bimetallic Ni and Pt nanoparticles driven by phonons,” OSA Continuum, vol. 2, no. 4, pp. 1285-1295, 2019, doi: https://doi.org/10.1364/OSAC.2.001285
T. Han, A. Nag, S. Mukhopadhyay, Y. Xu, “Carbon nanotubes and its gas-sensing applications: A review,” Sens. Actuators, A, vol. 291, pp. 107-143, 2019, doi: https://doi.org/10.1016/j.sna.2019.03.053
G. Cao, X. Chen, “The effects of chirality and boundary conditions on the mechanical properties of single-walled carbon nanotubes,” Int. J. Solids Struct., vol. 44, no. 44, pp. 5447-5465, 2007, doi: https://doi.org/10.1016/j.ijsolstr.2007.01.005
J. Liang, Y. Wang, Y. Huang, Y. Ma, Z. Liu, J. Cai, C. Zhang, H. Gao, Y. Chen, “Electromagnetic interference shielding of graphene/epoxy composites,” Carbon, vol. 47, pp. 922-925, 2009, doi: https://doi.org/10.1016/j.carbon.2008.12.038
K. Bergemann, F. Léonard, “Giga-gain at room temperature in functionalized carbon nanotube phototransistors based on a nonequilibrium mechanism,” ACS Nano, vol. 14, no. 8, pp. 10421–10427, 2020, doi: https://doi.org/10.1021/acsnano.0c04296
J. Hone, “Phonons and Thermal Properties of Carbon Nanotubes,” in Carbon Nanotubes. Topics in Applied Physics, Berlin: Springer, 2001, pp. 273-286, doi: https://doi.org/10.1007/3-540-39947-X_11
F. Vasko, O. Raichev, Quantum kinetic theory and applications: Electrons, photons, phonons, New York, USA: Springer, 2005, doi: https://doi.org/10.1007/0-387-28041-3
S. Piscanec, M. Lazzeri, F. Mauri, A. Ferrari, “Optical phonons of graphene and nanotubes,” Eur. Phys. J. Special Topics, vol. 148, p. 159–170, 2007, doi: https://doi.org/10.1140/epjst/e2007-00236-2
N. F. Mott, “ Conduction in non-crystalline materials,” Philos. Mag., vol. 19, pp. 835-852, 1969, doi: https://doi.org/10.1080/14786436908216338
S. Mu, R. Olsen, B. Dutta, L. Lindsay, G. Samolyuk, T. Berlijn, E. Specht, J. Jin, H. Bei, T. Hickel, B. Larson, G. Stocks, “Unfolding the complexity of phonon quasi-particle physics in disordered materials,” npj Comput. Mater., vol. 6, no.4, 2020, doi: https://doi.org/10.1038/s41524-020-0271-3
S. Smidstrup, T. Markussen, P. Vancraeyveld, J. Wellendorff, J. Schneider, T. Gunst, B. Verstichel, D. Stradi, P. Khomyakov, U. Vej-Hansen, “QuantumATK: An integrated platform of electronic and atomic-scale modelling tools,” J. Phys.: Condens. Matter, vol. 32, no. 015901, 2020, doi: https://doi.org/10.1088/1361-648X/ab4007
J. Schneider, J. Hamaekers, S. T. Chill, S. Smidstrup, J. Bulin, R. Thesen, A. Blom, K. Stokbro, “ATK-ForceField: a new generation molecular dynamics software package,” Modelling Simul. Mater. Sci. Eng., vol. 25, no. 085007, 2017, doi: https://doi.org/10.1088/1361-651X/aa8ff0
J. Tersoff, “Modeling solid-state chemistry: Interatomic potentials for multicomponent systems,” Phys. Rev. B, vol. 39, pp. 5566-5568, 1989, doi: https://doi.org/10.1103/PhysRevB.39.5566
J. García-Merino, L. Fernández-Izquierdo, R. Villarroel, S. Hevia, “Photo-thermionic emission and photocurrent dynamics in low crystallinity carbon nanotubes,” J. Materiomics, vol. 7, no. 2, pp. 271-280, 2021, doi: https://doi.org/10.1016/j.jmat.2020.10.002
J.P. Hague, “Determining the phonon density of states from specific heat measurements via maximum entropy methods,” J. Phys.: Condens. Matter., vol. 17, pp. 2397-2405, 2005.
T. M. Tritt, Thermal conductivity: Theory, properties and applications, New York, USA: Kluwer Academic / Plenum Publishers, 2004.
C. Torres-Torres, C. Mercado-Zúñiga, C. Martínez-González, H. Martínez-Gutiérrez, N. Rebollo, M. Trejo-Valdez, J. Vargas-García, R. Torres-Martínez, “Optical Kerr effect exhibited by carbon nanotubes and carbon/metal nanohybrid materials,” Physica E, vol. 73, pp. 156-162, 2015, doi: https://doi.org/10.1016/j.physe.2015.05.035
O. Dyatlova, C. Koehler, P. Vogel, E. Malic, R. Jain, K. Tvrdy, M. Strano, A. Knorr, U. Woggon, “Relaxation dynamics of carbon nanotubes of enriched chiralities,” Phys. Rev. B, vol. 90, no. 155402, 2014, doi: https://doi.org/10.1103/PhysRevB.90.155402
K. Gharbavi, H. Badehian, “Optical spectra of zigzag carbon nanotubes,” Optik, vol. 127, no. 17, pp. 6952-6960, 2016, doi: https://doi.org/10.1016/j.ijleo.2016.05.034
P. Slade, Electrical contacts: principles and applications, New York, USA: Marcel Dekker, Inc, 1999.
A. Brandao-Silva, R. Lima, C. Fantini, A. Jesus-Silva, M. Alencar, J. Hickmann, R. Jain, M. Strano, E. Fonseca, “Near infrared nonlinear refractive index dispersion of metallic and semiconducting single-wall carbon nanotube colloids,” Carbon, vol. 77, pp. 939-946, 2014, doi: https://doi.org/10.1016/j.carbon.2014.06.008
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