دانلود رایگان ترجمه مقاله ویژگی های محرک پرتو الکترواستاتیکی (ساینس دایرکت – الزویر ۲۰۱۶)

مبتدی (مناسب برای درک مفهوم کلی مطلب) 

در این مطالعه، پایه نانوفعال‌سازها دو مسئله تاثیر در شبیه‌سازی رفتار دینامیکی را ترکیب کرده و مورد بررسی قرار می‌دهد. اولین مسئله مشخص شده، فعالیت مولکولی مانند نیروی کازیمیر در مقیاس نانو است. دومی، سطح تاثیر است. ازاین‌رو، معادله حاکم براساس مدل پرتو اویلر-برنولی، ترکیب غیرخطی نیروهای الکترواستاتیک و مولکولی است که در مطالعه حاضر استفاده می‌شود. ساختار این مقاله به شرح زیر است: در بخش ۲ استفاده از یک طرح محاسباتی ترکیبی برای تکمیل معادله حاکم غیرخطی از کنسول نانو پرتو و شرایط مرزی و اولیه مشخص توصیف می‌شود. بخش ۳ روش پیشنهاد شده را به‌کمک مقایسه نتایج عددی به‌دست آمده برای جابجایی نوک و ولتاژ یک کنسول نانو پرتو با نتایج تحلیلی ارائه شده در کارهای گذشته تایید می‌کند. همچنین طرح محاسباتی ترکیبی برای تجزیه‌وتحلیل پاسخ دینامیکی پایه نانو پرتو به‌عنوان یک تابع ولتاژ استفاده می‌شود. در نهایت، بخش ۴ برخی نتایج ارائه شده است. در مقایسه با روش‌های موجود از جمله روش تفاضل محدود، طرح ترکیبی عددی از مزایای بیشتری برخوردار است و همچنین بسیار ساده‌تر و سریع است.

۲٫ مدل‌سازی پایه محرک‌های نانو
۲٫۱٫ توضیحات مدل
شکل۱ محرک پایه NEMS را که در مطالعه حاضر در نظر گرفته شده است نشان می‌دهد. همان‌گونه که نشان داده شده، پایه محرک نانو متشکل از پرتو پایه به طول L با مقطع مستطیل شکل یکنواخت با ضخامت h و پهنای w است. فاصله اولیه بین پرتو و الکترود ثابت توسط g مشخص می‌شود. در عمل، تکنیک‌های ساخت NEMS موجود منجر به جداسازی زیر ۲۰ نانومتر می‌شود. بنابراین، در این مطالعه، تنها نیروی کازیمیر در نظر گرفته شده است. معادله غیرخطی حاکم برای مدل پارامتر توزیع، براساس مفروضات پرتو اویلر-برنولی، ممکن است به‌صورت زیر نوشته شود[۱۲]. که در آن z نشان‌دهنده انحراف پرتو، x نشان‌دهنده موقعیت محور اندازه‌گیری پرتو از پایان محکم است، (EI) eff استحکام خم موثر از تاثیر کشش سطحی گنجانیده شده است، ρچگالی ماده می‌باشد، I در معادله (۱) لحظه‌ی اینرسی از پایه نانو پرتو است و توسط I=wh^3/12 داده شده و A=wh منطقه مقطعی از پرتو است.

۲٫۲٫ معادله غیرخطی بدون ابعاد
برای راحتی تحلیل، جابجایی عرضی از نانو پرتو با توجه به شکاف اولیه بین دو الکترود Z نرمال است، محور طولی X به توجه به طول نانو پرتو ن و زمان t با توجه به زمان T ثابت، که در آن T که به‌صورت T^-=√(ρA〖/L〗^۴/〖(EI)〗_eff ) تعریف شده است نرمال می‌شود.

۳٫ نتایج عددی و بحث‌وگفتگو
برای شروع با اعتبار طرح محاسباتی ترکیبی مشتق شده در بخش قبلی که با تجزیه‌وتحلیل پایه نانو پرتو درگیر در معادله غیرخطی تایید شد می‌پردازیم. محاسبات بااستفاده از نرم‌افزار MATLAB انجام شد و پایه نانو پرتو به طول ۱ μm، پهنای w=5×h، شکاف اولیه g= 50 nm و E=76GPa با مقادیر مختلف از ضخامت پرتو h اعم از ۵۰ تا ۱۰۰ نانومتر است. سطح باقی‌مانده τ^۰ ماژول سطح کشش Es، ۰٫۸۹ و ۱٫۲۲ است. تغییر مکان پایانی نانو پرتو به دست آمده بااستفاده از دو روش در جدول ۱ برای مقایسه با ولتاژ اعمال شده‌ی یک ولت ذکر شده است. می‌توان مشاهده کرد که توان محاسباتی ترکیبی، پیش‌بینی طرح نهفته است که نزدیک به روش تفاضل محدود (FDM) و حداکثر تفاوت بین این دو ۵۰ نانومتر در پیش‌بینی‌های ۷٫۳۸٪ زمانی در T است. جدول ۲ نتایج به‌دست آمده توسط این طرح محاسباتی ترکیبی را برای کشش در مقایسه با ولتاژ تحت ولتاژ محرک به‌دست آمده توسط HPM در [۱۲[ ارائهمی‌کند. همان گونه که نشان داده شده، در غیاب اثر سطح، پیش‌بینی طرح محاسباتی ترکیبی کشش در ولتاژ ۵٫۹۱ ولت است. در مقابل، HPM ولتاژ کشش را ۵٫۵۸۸ ولت پیش‌بینی می‌کند. در سایر عبارات، ولتاژ کشش محاسبه شده با استفاده از طرح محاسباتی ترکیبی نسبت به بیش از ۵٫۷۶ درصد از مقادیر ارائه شده در گذشته انحراف داشته است.
شکل. ۲ تنوع انحراف نوک بدون بُعد با پسماند را به‌عنوان تابعی از ولتاژ اعنال شده نشان می‌دهد. توجه داشته باشید که شرایط به شرح زیر است: مقادیر مختلف ولتاژ اعمال شده در محدوده‌ی ۳ تا ۵ ولت، Es=1.22 است. بنابراین برای ولتاژ اعمال شده ثابت، پسماند با افزایش انحراف نوک افزایش می‌یابد. علاوه بر این، دیده می‌شود که برای یک پسماند ثابت، نوک انحراف می‌توان با افزایش ولتاژ و در نتیجه با افزایش نیروی الکترواستاتیک افزایش داد.
شکل. ۳ انحراف پایه نانو پرتو در استرس‌های مختلف باقی‌مانده (τ^۰) را نشان می‌دهد. پارامترهای مدل‌سازی L=1μm، پهنای w=5×h ، شکاف اولیه G = 50 نانومتر، ماژول یانگ E = 76GPa، ضخامت پرتو H = 3Onm، و سطح ماژول الاستیک ES صفر با مقادیر مختلف از سطح تنش ۰٫۵- به ۰٫۵ است. توجه داشته باشید که در در هر مورد، نانو پرتو توسط یک ولتاژ اعمال شده با یک ولت است. نتایج نشان می‌دهد که بدون افزایش بُعد انحراف نوک، استرس سطح باقی‌مانده از منفی به مثبت افزایش یافته است.
شکل. ۴ تاثیر اثرات سطح بر تنوع طول جدا شدن با ضخامت پرتو را نشان می‌دهد. شکاف اولیه برای نانو پرتو بصورت ۳۰ نانومتر در نظر گرفته شده و عرض پرتو w=5×h است. استرس سطح باقی‌مانده τ^۰ و ماژول سطح کشش Es از ۰٫۸۹ به ۱٫۲۲ است. نتایج نشان داد که برای طول ثابت جدا شدن، پرتو ضخامت و اثر سطح به هم مرتبط هستند و دیده می‌شود که تاثیر اثرات سطح به‌عنوان ضخامت پرتو کاهش می‌یابد. شکل. ۵ پرتو عرضی را در امتداد مسیر داده شده‌ی ولتاژ محرک محوری از ۲ تا ۲٫۲ ولت نشان می‌دهد. برای موردی که در ضخامت آن h=30 nm باشد، شکاف اولیه برای نانو پرتو ب‌صورت ۵۰ نانومتر درنظر گرفته می‌شود در حالی‌که عرض پرتو w=5×h و طول آن L=1 است. بنابراین انتظار می‌رود، پرتو با افزایش فاصله از پایان برای همه ولتاژها افزایش یابد. نانو پرتو برای همه‌ی ولتاژ محرک کمتر از ۲٫۱ پایدار باقی می‌ماند اما در ولتاژ ۲٫۲ ولت تحرک رخ می‌دهد.