石墨烯納機(jī)電諧振器的非線性振動(dòng)特性研究.pdf

1、納機(jī)電系統(tǒng)（Nano-electromechanical System，NEMS）在基礎(chǔ)研究及應(yīng)用方面越來越受到人們的重視，小尺寸、高諧振頻率的NEMS諧振器可以做典型的納機(jī)電器件。由于石墨烯諧振器具有低功耗、高靈敏度、超小的質(zhì)量和超高的品質(zhì)因數(shù)等特點(diǎn)，因此其在傳感器以及通信方面有著廣泛的應(yīng)用。
　　當(dāng)諧振器尺寸進(jìn)入納米尺度后，在外加激勵(lì)的作用下很快就會進(jìn)入非線性區(qū)域，具有明顯的非線性效應(yīng)。在這種情況下，采用線性理論分析將會出現(xiàn)較

2、大的誤差，本文將引入非線性控制方程來分析石墨烯納米梁諧振器的振動(dòng)特性，并對石墨烯諧振器進(jìn)行分子動(dòng)力學(xué)仿真。具體的研究內(nèi)容如下：
　　首先，對石墨烯的性質(zhì)和研究現(xiàn)狀做了簡要介紹，并對目前國內(nèi)外關(guān)于納機(jī)電諧振器的研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述。
　　其次，基于宏觀連續(xù)體模型理論，引入范德華力對諧振器振動(dòng)特性的影響，構(gòu)建了石墨烯納米梁諧振器在靜電驅(qū)動(dòng)方式下的非線性控制方程。通過有限差分法對諧振器的振動(dòng)特性進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，并利用頻譜分析方法 FF

3、T對數(shù)值動(dòng)態(tài)分析得到的時(shí)域撓度曲線進(jìn)行頻譜分析。數(shù)值仿真結(jié)果表明，在交流幅值不變的情況下，當(dāng)直流電壓較小時(shí)，諧振器的頻率向右偏移，即出現(xiàn)“彈簧變硬”效應(yīng)；當(dāng)直流電壓較大時(shí)諧振頻率向左偏移，即出現(xiàn)“彈簧變軟”效應(yīng)。并且這種頻率偏移受交流幅值的影響較小，主要受直流電壓的影響。
　　最后，本文采用了一種在分子動(dòng)力學(xué)仿真中進(jìn)行的靜電力等效方法，基于分子動(dòng)力學(xué)方法對石墨烯諧振器在不同外力作用下的諧振頻率進(jìn)行模擬仿真和結(jié)果分析。將分子動(dòng)力學(xué)方

4、法和連續(xù)體模型理論方法的仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，結(jié)果表明分子動(dòng)力學(xué)仿真得到的諧振頻率比連續(xù)體模型理論得到的諧振頻率高。這是因?yàn)樵?MD仿真過程中，對石墨烯納米梁施加外力的同時(shí)會有一個(gè)預(yù)張力存在，并且預(yù)張力會隨著外力的增大而增大。
　　本文從連續(xù)體模型理論方法和分子動(dòng)力學(xué)方法兩方面對石墨烯納機(jī)電諧振器的非線性特性進(jìn)行了研究，為后續(xù)開展實(shí)驗(yàn)研究提供理論基礎(chǔ)和數(shù)據(jù)支持，并為石墨烯納機(jī)電諧振器在質(zhì)量傳感器和力學(xué)傳感器方面的應(yīng)用提供一些理論參考。