Lim, Songnam;Lee, Jong-Ho;Choi, Woo Young;Cho, Il Hwan
JSTS:Journal of Semiconductor Technology and Science
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v.15
no.6
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pp.647-652
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2015
Pull-in voltage model of nano-electro-mechanical system with graphene is investigated for the device optimization. In the pull in voltage model, thickness of graphene layer is assumed to be uniform in vertical and lateral direction. Finite element analysis simulation has verified the feasibility of the suggested model. From the suggested model, pull-in voltage change with graphene thickness and cantilever length can be estimated. Maximum induced stress and graphene thickness have a reciprocal relationship.
In this paper, the magnetic field influence on the wave propagation characteristics of graphene nanosheets is examined within the frame work of a two-variable plate theory. The small-scale effect is taken into consideration based on the nonlocal strain gradient theory. For more accurate analysis of graphene sheets, the proposed theory contains two scale parameters related to the nonlocal and strain gradient effects. A derivation of the differential equation is conducted, employing extended principle of Hamilton and solved my means of analytical solution. A refined trigonometric two-variable plate theory is employed in Kinematic relations. The scattering relation of wave propagation in solid bodies which captures the relation of wave number and the resultant frequency is also investigated. According to the numerical results, it is revealed that the proposed modeling can provide accurate wave dispersion results of the graphene nanosheets as compared to some cases in the literature. It is shown that the wave dispersion characteristics of graphene sheets are influenced by magnetic field, elastic foundation and nonlocal parameters. Numerical results are presented to serve as benchmarks for future analyses of graphene nanosheets.
One of the characteristics of polycrystalline graphene that determines its material properties is grain size. Mechanical properties such as Young's modulus, yield strain and tensile strength depend on the grain size and show a reverse Hall-Petch effect at small grain size limit for some properties under certain conditions. While there is agreement on the grain size effect for Young's modulus and yield strain, certain MD simulations have led to disagreement for tensile strength. Song et al. showed a decreasing behavior for tensile strength, that is, a pseudo Hall-Petch effect for the small grain size domain up to 5 nm. On the other hand, Sha et al. showed an increasing behavior, a reverse Hall-Petch effect, for grain size domain up to 10 nm. Mortazavi et al. also showed results similar to those of Sha et al. We suspect that the main difference of these two inconsistent results is due to the different modeling. The modeling of polycrystalline graphene with regular size and (hexagonal) shape shows the pseudo Hall-Petch effect, while the modeling with random size and shape shows the reverse Hall-Petch effect. Therefore, this study is conducted to confirm that different modeling is the main reason for the different behavior of tensile strength of the polycrystalline structures. We conducted MD simulations with models derived from the Voronoi tessellation for two types of grain size distributions. One type is grains of relatively similar sizes; the other is grains of random sizes. We found that the pseudo Hall-Petch effect and the reverse Hall-Petch effect of tensile strength were consistently shown for the two different models. We suspect that this result comes from the different crack paths, which are related to the grain patterns in the models.
Al-Maliki, Ammar F.H.;Ahmed, Ridha A.;Moustafa, Nader M.;Faleh, Nadhim M.
Advances in Computational Design
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v.5
no.2
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pp.177-193
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2020
In the present research, dynamic analysis of functionally graded (FG) graphene-reinforced beams under thermal loading has been carried out based on finite element approach. The presented formulation is based on a higher order refined beam element accounting for shear deformations. The graphene-reinforced beam is exposed to transverse periodic mechanical loading. Graphene platelets have three types of dispersion within the structure including uniform-type, linear-type and nonlinear-type. Convergences and validation studies of derived results from finite element approach are also presented. This research shows that the resonance behavior of a nanocomposite beam can be controlled by the GPL content and dispersions. Therefore, it is showed that the dynamical deflections are notably influenced by GPL weight fractions, types of GPL distributions, temperature changes, elastic foundation and harmonic load excitation frequency.
The following composition establishes a nonlocal strain gradient plate model that is essentially related to mass sensors laying on Winkler-Pasternak medium for the vibrational analysis from graphene sheets. To achieve a seemingly accurate study of graphene sheets, the posited theorem actually accommodates two parameters of scale in relation to the gradient of the strain as well as non-local results. Model graphene sheets are known to have double variant shear deformation plate theory without factors from shear correction. By using the principle of Hamilton, to acquire the governing equations of a non-local strain gradient graphene layer on an elastic substrate, Galerkin's method is therefore used to explicate the equations that govern various partition conditions. The influence of diverse factors like the magnetic field as well as the elastic foundation on graphene sheet's vibration characteristics, the number of nanoparticles, nonlocal parameter, nanoparticle mass as well as the length scale parameter had been evaluated.
In this paper, free and force vibration behaviors of graphene-reinforced composite functionally graded (GRC-FG) cylindrical shells in thermal environments are investigated based on Reddy's third-order shear deformation theory (HSDT). The GRC-FG cylindrical shells are composed of piece-wise pattern graphene-reinforced layers which have different volume fraction. Based on the extended Halpin-Tsai micromechanical model, the effective material properties of the resulting nanocomposites are evaluated. Using the Hamilton's principle and the assumed mode method, the motion equation of the GRC-FG cylindrical shells is formulated. Using the time- and frequency-domain methods, free and force vibration properties of the GRC-FG cylindrical shell are analyzed. Numerical cases are provided to study the effects of distribution of graphene, shell radius-to-thickness ratio and temperature changes on the free and force vibration responses of GRC-FG cylindrical shells.
The Journal of Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science
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v.26
no.9
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pp.837-840
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2015
Graphene is a single layer of carbon material which shows very high electron mobility, so many kinds of research on the devices using graphene layer have been performed so far. Graphene material is adequate for high frequency and fast operation devices due to its higher mobility. In this research, the actual graphene layer is evaluated using RT-CVD method which can be available for mass production. The mobility of $7,800cm^2/Vs$ was extracted, that is more than 7 times of that in silicon substrate. The graphene transistor model having no band gap is evaluated using both of pMOS and nMOS based on the measured mobility values. And then the response of graphene transistor model regarding to gate length and width is examined.
We propose a nearly lossless, compact, electrically modulated vertical directional coupler, which is based on the controllable evanescent coupling in a previously proposed graphene-assisted total internal reflection (GA-FTIR) scheme. In the proposed device, two single-mode waveguides are separate by graphene-$SiO_2$-graphene layers. By changing the chemical potential of the graphene layers with a gate voltage, the coupling strength between the waveguides, and hence the coupling length of the directional coupler, is controlled. Therefore, for a properly chosen, fixed device length, when an input wave is launched into one of the waveguides, the ratio of their output powers can be controlled electrically. The operation of the proposed device is analyzed, with the dispersion relations calculated using a model of a one-dimensional slab waveguide. The supermodes in the coupled waveguide are calculated using the finite-element method to estimate the coupling length, realistic devices are designed, and their performance was confirmed using the finite-difference time-domain method. The designed $3{\mu}m$ by $1{\mu}m$ device achieves an insertion loss of less than 0.11 dB, and a 24-dB extinction ratio between bar and cross states. The proposed low-loss device could enable integrated modulation of a strong optical signal, without thermal buildup.
Graphene, with impressive electronic properties, have high potential in the microelectronic field. However, graphene itself is a zero bandgap material which is not suitable for digital logic gates and its application. Thus, much focus is on graphene nanoribbons (GNRs) that are narrow strips of graphene. During GNRs fabrication process, the occurrence of defects that ultimately change electronic properties of graphene is difficult to avoid. The modelling of GNRs with defects is crucial to study the non-idealities effects. In this work, nearest-neighbor tight-binding (TB) model for GNRs is presented with three main simplifying assumptions. They are utilization of basis function, Hamiltonian operator discretization and plane wave approximation. Two major edges of GNRs, armchair-edged GNRs (AGNRs) and zigzag-edged GNRs (ZGNRs) are explored. With single vacancy (SV) defects, the components within the Hamiltonian operator are transformed due to the disappearance of tight-binding energies around the missing carbon atoms in GNRs. The size of the lattices namely width and length are varied and studied. Non-equilibrium Green's function (NEGF) formalism is employed to obtain the electronics structure namely band structure and density of states (DOS) and all simulation is implemented in MATLAB. The band structure and DOS plot are then compared between pristine and defected GNRs under varying length and width of GNRs. It is revealed that there are clear distinctions between band structure, numerical DOS and Green's function DOS of pristine and defective GNRs.
Journal of the Korean Society of Manufacturing Technology Engineers
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v.24
no.4
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pp.421-427
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2015
In this paper, a description is given of finite element method (FEM) simulations of the elastic bending modulus of multi-layered graphene sheets that were carried out to investigate the mechanical behavior of graphene sheets with different gap thicknesses through molecular mechanics theory. The interaction forces between layers with various gap thicknesses were considered based on the van der Waals interaction. A finite element (FE) model of a multi-layered rectangular graphene sheet was proposed with beam elements representing bonded interactions and spring elements representing non-bonded interactions between layers and between diagonally adjacent atoms. As a result, the average elastic bending modulus was predicted to be 1.13 TPa in the armchair direction and 1.18 TPa in the zigzag direction. The simulation results from this work are comparable to both experimental tests and numerical studies from the literature.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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