多尺度建模、模拟和实验涂层生长的纳米纤维
纳米涂层的结构和晶体结构的进化在纳米尺度上是并将继续是重要的问题。我们的努力在这个领域包括协调实验和建模程序为核心的合成/复合和空心纳米线结构。物理气相沉积技术用于涂料应用到实际上电纺聚合物纳米纤维。这些纤维涂以电影的铜、铝、钛、锆、氮化铝用等离子体增强的物理气相沉积(PEPVD)溅射过程。
帮助理解沉积工艺对纳米级大小的结构,纳米纤维涂层的综合模型在传统PEPVD系统了。模型集成在原子连续长度尺度模拟溅射,运输和沉积的涂层材料在纳米基质。模型连接宏观尺度纳米尺度现象现象通过连接简单模型在每个长度尺度。解决方案过程涉及许多简化的假设拼凑一个简单模型集合成一个综合模型。解决方案策略,连续使用和原子论的模型。之间的信息传递各种长度尺度模型,模拟集成在一起。保持在一个可控水平上数值模拟,渐近分析是用来减少复杂的模型简单,但是仍然相关,模型。
在本系列的第一部分中,我们描述一个鞘的连续体模型在目标区域和目标表面附近的核反应堆动力学。在原子层面上,我们用分子动力学(MD)模拟研究了溅射沉积机制的目标。离子动能和通量的连续传递鞘MD模拟模型。这些模拟计算溅射和坚持概率,进而用于计算连续反应器模型的参数。反应器模型决定了涂层材料的浓度。
在本系列的第二部分中,我们描述了鞘地区持有人和衬底表面附近的局部动态。从第一部分浓度这个局部模型的输入。在原子层面上,我们用分子动力学(MD)模拟研究了溅射曲面和沉积机制。离子动能和通量从连续鞘模型传递这些MD模拟。这些模拟计算溅射和坚持概率,进而用于计算参数的局部模型。当地的模型确定涂层表面的演化方程。一个极性涂层表面几何假设。在推导演化方程中,我们假设两个级别的简化,推导出涂层材料的浓度场。首先,浓度场假定为径向主导方向角的变化往往被忽略。这导致浓度场,高度非线性取决于涂层表面的位置。 Hence, a second simplification is posed. The location of the coating surface is replaced by the radius of the uncoated nanofiber. Finally, the coating surface is assumed to be single-valued so that some coating morphologies are excluded from consideration. These simplifications reduce the complexity of the numerical simulation of the evolution equation. Nevertheless, parametric studies of this evolution equation reveal general trends that rougher coatings develop on nanofibers with larger radii, in systems with higher levels of concentration, and in systems characterized by high rates of deposition.
目前的工作考虑轴对称几何和解决没有单值的演化方程的假设和限制较少的假设下浓度场比之前的工作。
我们也检查了发射响应的纳米管由于应用纳米管的电场沿轴。碳纳米管被认为小粗糙度方位方向。亥姆霍兹方程的耦合场致发射内外管解决了边界摄动方法。外部场的强度计算的函数的频率和幅度的应用领域。电子的隧穿问题表面的纳米管由WKB方法调查。的临界频率和大小确定启动隧道的应用领域。
出版物:
- 多尺度建模、仿真和实验对纳米纤维涂层增长:第一部分——溅射,a . Buldum Busuladzic, c·b·克莱蒙斯·l·h·莳萝、k·l·罗斯·g·w·年轻,e·a·埃文斯,g, s . I Hariharan和w·Keifer j .应用物理卷。98,(2005),页044303-044303-10。
- 多尺度建模、仿真和实验对纳米纤维涂层增长:第二部分——沉积,a . Buldum c·b·克莱蒙斯·l·h·莳萝、k·l·罗斯·g·w·年轻,x, e·a·埃文斯,g . Zhang和s . i Hariharan j .应用物理卷。98,(2005),页044304-044304-16。
- 从涂层纳米线场发射,t . Marinov a . Buldum c·b·克莱蒙斯k·l·罗斯·g·w·年轻,和s . i Hariharan j .应用物理卷。98,(2005),页044314-044314-11。
- 建模与仿真的轴对称涂层纳米纤维增长,k·摩尔,c·b·克莱蒙斯k·l·罗斯·g . w .年轻,提交给j .应用物理。
资助:
- NSF数学科学分工-纳米纤维涂层的多尺度分析和仿真:增长和应用NSF批准号dms - 03 - 05580(2003 - 2004): 106250美元,与c·b·克莱蒙斯k·罗斯·e·埃文斯,a . Buldum和s . i Hariharan。
- NSF DMI - NIRT:纳米纤维制造的能源转换和利用NSF批准号dmi - 0403835(2004 - 2008): 1300000美元,与d·Reneker g .追逐,大肠埃文斯·d·史密斯,r . Ramsier a . Buldum s i Hariharan k·罗斯和Yarin。