考虑原子纵向振动位移单原子链纳米线横向振动压电控制制造技术

给出考虑原子纵向位移的单原子链纳米线横向振动压电控制方法。单原子链横向振动模态假设为弦的振动模态，基于该假设建立了单原子链横向振动的动力学方程，得到单原子链横向振动的固有角频率的计算方法，给出了压电控制电压的临界电压量子极限值表达式。利用非线性方程组的迭代方法，结合单原子链的边界条件与对称性计算出了原子的纵向位移位置坐标值。纳米线轴向张力与链的长度是影响单原子链纳米线的固有角频率和共振频率的重要因素，单原子链两端的压电块轴向位移可以改变原子链的轴向张力，改变轴向张力或者单原子链的长度可以改变链的固有角频率。

【技术实现步骤摘要】
考虑原子纵向振动位移单原子链纳米线横向振动压电控制
本专利技术提供一种考虑原子纵向位移单原子链纳米线横向振动压电控制固有角频率计算方法，属于纳米器件

技术介绍
近年来，随着电子材料制造由二维降至一维，单原子链纳米线作为一种理想的一维导体，因其独特的物理性质和在
的应用性，广泛应用于光学、电子学和传感器等纳米器件。单原子链拥有与体材料相比终极大的比表面积，拥有诸如电导开关、负微分电阻等非线性特性，在分子领域中是纳米电子器件的重要组成部分，在纳米器件中，特别是在分子逻辑开关器件领域中具有较高的应用价值。单原子链振动性质研究成为近年来纳米科学领域研究的热点问题之一。高频纳机电系统振荡器的制备是十余年来极为活跃的研究课题，而十亿赫兹是很多科学家所公认的一个“频率障碍”，振荡器频率提高成为制约纳机电系统发展的瓶颈技术之一。因而，单原子链振动性能研究成为纳微机电系统研究的热点问题，单原子链谐振器的控制成为迫切需要解决的问题之一。但是，单原子链振动测量存在试验操作困难、测试试验费用高昂等问题。单原子链处于高频、低温振动时，会出现振动量子效应，如何定量界定单原子链处于谐振动还是量子振动成为一个需要解决的问题。本专利技术建立考虑原子纵向位移单原子链横向振动压电控制的动力学方程，提供一种计算考虑原子纵向位移单原子链横向振动压电控制固有角频率的计算方法，节省了试验费用，为单原子链器件开发提供理论基础和计算方法。
技术实现思路
本专利技术针对考虑原子纵向位移单原子链固有角频率难以测量难题，提供一种考虑原子纵向位移单原子链横向振动压电控制固有角频率的计算方法。压电控制单原子链纳米弦横向振动装置包括单原子链纳米弦和压电控制电路。单原子链纳米弦由固定端、单原子链、上压电块和下压电块组成，单原子链一端固结于固定端，另一端夹持在上压电块和下压电块之间，通过分子间力和摩擦力与上压电块和下压电块固结在一起。压电控制电路由上压电块和下压电块组成的轴向伸缩变形结构，上压电块和下压电块串联，压电块上表面和下表面镀有一层1nm厚度金薄膜，通过导线与控制电压源连接，组成闭合控制电路。改变控制电压源的控制电压，可以改变压电块轴向位移，改变单原子链的轴向力，改变单原子链的固有角频率，起到控制单原子链振动性质的作用。单原子链中的原子由化学键连接，化学键的长度，即相邻原子的间距为非固定值，原子链振动时其所有原子整体振动。可将单原子链的振动模态视为弦的横向振动模态。单原子链横向振动时的纵向振动振幅远小于其横向振动振幅，因此在研究中可以忽略不计。弦的热振动振幅小于其横向振动振幅，因此可忽略不计。单原子链为非连续系统，通过弦振动理论较难得到原子链横向振动的振动方程。为简化单原子链振动模型，本文提出如下假设：当单原子链不受外部横向激励影响并在平衡位置时，所有原子处于一条直线上，考虑原子振动时的纵向位移。可假定单原子链振动为纳米线的振动，其横向振动模型可视为弦振动模态。假设单原子链纳米线相邻原子间的弹性刚度为固定常数。压电控制单原子链纳米弦横向振动固有角频率可以表示为其中，l为单原子链的长度，L为压电片的长度，K为原子间力常数，mk为原子质量，xk为原子的位置坐标，d为压电片的厚度，d31为压电片的压电常数,n为单原子链原子间隔数，U为压电块控制电压。通过牛顿迭代法计算出方程组的数值解位置坐标xk的数值，振动频率非线性方程组迭代数值解迭代序列为Z(j+1)＝Z(j)-(F′(Z(j)))-1F(Z(j))，其中(F′(Z))-1是导数矩阵F(Z)中的逆矩阵。方程组内有N-2个方程式。然而，方程组有N+1个未知变量，必须考虑边界条件与对称性条件，才能求得方程组的解。单原子链两端固定，因此z0＝0，zN＝1。考虑单原子链振动的对称性，当原子个数为奇数时，一阶模态时中点原子坐标值则为z(N-1)/2＝0.5；当单原子链的原子数为偶数时，由于原子链的对称性，一阶模态时中点相邻两个原子坐标值则为利用单原子链的边界条件和对称条件可知，未知变量数等于方程组方程的个数，因此，非线性方程组是可解的。高阶模态振动特性采取类似的计算方法。单原子链纳米线谐振动的轴向压电控制电压量子极限值为其中，kB为Boltzmann常数，TTem为绝对温度，为约化Planck常数，ω为圆频率。附图说明图1单原子链纳米线模型示意图；图2碳单原子链纳米线一阶模态振动时控制电压量子极限值随温度变化图；图3碳单原子链纳米线分别为7个原子，9个原子和11个原子时一阶模态固有角频率随压电控制电压张力变化图像；图4碳单原子链纳米线分别为8个原子，10个原子和12个原子时一阶模态固有角频率随压电控制电压变化图像；图5碳单原子链纳米线长度分别为7个原子，9个原子和11个原子时一阶模态共振频率随压电控制电压变化图像；图6碳单原子链纳米线长度分别为8个原子，10个原子和12个原子时一阶模态共振频率随压电控制电压变化图像；图中，1、固定端2、水平线3、单原子链4、上压电块5、控制电压源6、下压电块具体实施方案压电控制单原子链纳米弦横向振动装置包括单原子链纳米弦和压电控制电路。单原子链纳米弦由固定端1、单原子链3、上压电块4和下压电块6组成，单原子链一端固结于固定端1，另一端夹持在上压电块4和下压电块6之间，通过分子间力和摩擦力与上压电块4和下压电块6固结在一起，平衡时，单原子链3处于水平线2位置。压电控制电路由上压电块4和下压电块6组成的轴向伸缩变形结构，上压电块4和下压电块6串联，压电块上表面和下表面镀有一层1nm金薄膜，通过导线与控制电压源5连接，组成闭合控制电路。改变控制电压源5的控制电压，可以改变压电块轴向位移，改变单原子链3的轴向力，改变的单原子链3的固有角频率，起到控制单原子链3振动性质的作用。以碳单原子链3纳米线为研究实例分析纳米线的横向振动，原子间距离为1.282×10-10m。计算时取第三个原子为研究对象。碳原子质量为1.993×10-26kg。考虑原子纵向位移单原子链3纳米线第k个原子横向振动压电控制的固有角频率为压电块长度为10nm，厚度为2nm，压电常数为d31＝123×10-12C/N，控制电压为U＝4.0×10-7V，长度为7个原子时，单原子链3横向振动的一阶固有角频率为3.165×1010rad/s，高阶固有角频率的计算采取相同的计算方法。利用牛顿迭代法计算出方程组的数值解xk位置坐标数值，振动频率非线性方程组迭代数值解为Z(j+1)＝Z(j)-(F′(Z(j)))-1F(Z(j))。单原子链3两端固定，由7个原子组成单原子链3，无量纲边界值为z0＝0和z6＝1，中间原子无量纲坐标值为z3＝0.5。计算得到：z1＝0.1811，z2＝0.3257，z4＝0.6743，z5＝0.8189。单原子链3两端固定，由8个原子组成单原子链3，无量纲边界值为z0＝0和z7＝1，中间原子无量纲坐标值为z3＝0.5-0.0714，z4＝0.5+0.0714。计算得到：z1＝0.1662，z2＝0.2879，z5＝0.7376，z6＝0.8593。单原子链3纳米线谐振动的轴向压电控制电压量子极限值为其中，kB＝1.38×10-26J/K，当温度为300K时，7个原子组成的单原子链3纳米线谐振动的压电控本文档来自技高网...

【技术保护点】
压电控制单原子链纳米弦横向振动装置包括单原子链纳米弦和压电控制电路。单原子链纳米弦由固定端(1)、单原子链(3)、上压电块(4)和下压电块(6)组成，单原子链一端固结于固定端(1)，另一端夹持在上压电块(4)和下压电块(6)之间，通过分子间力和摩擦力与上压电块(4)和下压电块(6)固结在一起，平衡时，单原子链(3)处于水平线(2)位置。压电控制电路由上压电块(4)和下压电块(6)组成的轴向伸缩变形结构，上压电块(4)和下压电块(6)串联，压电块上表面和下表面镀有一层1nm金属膜，通过导线与控制电压源(5)连接，组成闭合控制电路。改变控制电压源(5)的控制电压，可以改变压电块轴向位移，改变单原子链(3)的轴向力，改变的单原子链(3)的固有角频率，起到控制单原子链(3)振动性质的作用。压电控制单原子链纳米弦横向振动固有角频率可以表示为

【技术特征摘要】
1.压电控制单原子链纳米弦横向振动装置包括单原子链纳米弦和压电控制电路。单原子链纳米弦由固定端(1)、单原子链(3)、上压电块(4)和下压电块(6)组成，单原子链一端固结于固定端(1)，另一端夹持在上压电块(4)和下压电块(6)之间，通过分子间力和摩擦力与上压电块(4)和下压电块(6)固结在一起，平衡时，单原子链(3)处于水平线(2)位置。压电控制电路由上压电块(4)和下压电块(6)组成的轴向伸缩变形结构，上压电块(4)和下压电块(6)串联，压电块上表面和下表面镀有一层1nm金属膜，通过导线与控制电压源(5)连接，组成闭合控制电路。改变控制电压源(5)的控制电压，可以改变压电块轴向位移，改变单原子链(3)的轴向力，改变的单原子链(3)的固有角频率，起到控制单原子链(3)振动性质的作用。压电控制单原子链...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘灿昌，刘文晓，单越，马驰骋，巩庆梅，
申请(专利权)人：山东理工大学，
类型：发明
国别省市：山东,37