Supermaterialet grafen simuleras med svensk mjukvara

Daniel Ericsson | April 12, 2013

Grafen är ett nytt material som består av ett enda skikt av kolatomer ordnade i ett hexagonalt mönster, vilket ger materialet ett antal unika egenskaper. Upptäckten av grafen resulterade i Nobelpriset i fysik år 2010 och just nu pågår mycket forskning kring materialet.

I slutet av januari i år meddelade EU-kommissionen att Chalmers tekniska högskola har fått EUs uppdrag att leda deras hittills största forskningsinitiativ kring grafen och finansieringen uppgår totalt upp till 9 miljarder svenska kronor.

Svenska mjukvaran COMSOL Multiphysics har visat sig vara ett ovärderligt verktyg för att undersöka grafenets materialegenskaper, samt hur dessa kan användas inom olika tillämpningar.

Graphene
Grafen. Bild från AlexanderAIUS.

Grafenets materialegenskaper

Att grafen ofta benämns som ett ”supermaterial” beror på att det är ungefär 200 gånger starkare än stål, har bättre elektrisk och termisk ledningsförmåga än koppar och att det endast väger 1 mg per kvadratmeter!

COMSOL Multiphysics används av forskare över hela världen för att studera grafen och hur dess egenskaper kan utnyttjas för framtida teknikgenombrott.  I den här artikeln från Chalmers tekniska högskola har författarna studerat plasmoner i grafen. COMSOL Multiphysics har använts för att studera excitationen av symmetriska och antisymmetriska plasmon-moder för olika ringstrukturer, liknande de strukturer som återfinns i grafen.

I en annan avhandling från Universitetet i Notre Dam har man utforskat hur de halvledande egenskaperna hos nanoband av grafen (graphene nanoribbons – GNR) kan användas för framtidens elektronik.

Simulering av värmeöverföring i grafen

I artikeln “Graphene quilts for thermal management of high-power GaN transistors” från publikationen Nature Communications beskrivs hur grafen kan användas för att minska temperaturen i transistorer av galliumnitrid. Artikelförfattarna använder COMSOL Multiphysics för att visa att temperaturen i delar av transistorn kan minska avsevärt om man inför några få skikt av grafen på ytan.

Med COMSOLs produkt Heat Transfer Module är det enkelt att simulera värmeöverföring i tunna skikt med hjälp av ett gränssnitt för Highly Conductive Layer. Med denna funktionalitet löser man värmeledningsekvationen enbart längs med skiktets yta. På så sätt behövs inte det tunna skiktet av t.ex. grafen lösas upp med ett stort antal meshelement och beräkningstiden minskas markant.

Graphene modeling_settings window for the Highly Conductive Layer feature
Inställningar för att räkna på värmeöverföring i tunna skikt som t.ex. grafen.

Elektromagnetiska simuleringar av grafen

Redan 2006 började forskare från USA använda COMSOL för att studera de karakteristiska elektriska egenskaperna hos grafen. I den här artikeln har forskarna använt COMSOL för att simulera ett grafenbaserat kompositmaterial. Det är enkelt att skriva in en tensor för materialets elektriska konduktivitet som även kan vara en funktion av temperaturen eller någon annan parameter.

settings windows for the Current Conservation feature in the Electric Currents interface
Med COMSOLs produkt AC/DC Module är det enkelt att beskriva en anistrop elektrisk konduktivitet. Detta är användbart för elektriska simuleringar av grafen.

Hållfasthetsberäkningar av grafen

COMSOL kan även användas för att simulera hållfastheten hos grafen. I den här artikeln har forskare från KTH beräknat förskjutningarna och töjningarna i ett grafenmembran som utsätts för en tryckdifferens. Förändringar i bandstrukturen kan upptäckas då de elektriska egenskaperna förändras då grafenmembranet böjs. En möjlig tillämpning för detta är nya extremt känsliga trycksensorer.

Genom att använda COMSOLs produkt Structural Mechanics Module kan användaren utnyttja skalelement för att simulera tunna strukturer såsom grafen. Formuleringen för dessa element är av typen Mindlin-Reissner vilket innebär att man även tar hänsyn till den transversella skjuvspänningen. Skalelementen gör att användaren kan få noggranna resultat utan att behöva skapa ett stort antal meshelement.

Settings window for the material model in the Shell interface
Inställningsmöjligheter för ett material som beskrivs med skalelement.

Relevanta exempelmodeller

Nu när vi har gått igenom hur COMSOL Multiphysics kan hantera värmeöverföring, elektromagnetism och hållfasthet av grafen kanske du undrar om det finns några exempel som visar hur de olika fysikområdena kan kombineras i samma modell? Detta är vad vi kallar multifysik, d.v.s. när flera sorters fysik är beroende av varandra. Ett exempel är en modell som följer med installationen av COMSOL Multiphysics. Du hittar den här samt på bilden nedan.

Model of a heating circuit
En modell av en krets som demonstrerar hur användaren av COMSOL Multiphysics kan kombinera värmeöverföring, elektromagnetism och strukturmekanik i en och samma modell.

Denna modell använder Heat Transfer Module, AC/DC Module och Structural Mechanics Module. Dessutom används olika funktioner för att hantera tunna skikt vilket ofta är nödvändigt vid simuleringar av grafen.

Ytterligare information om COMSOL Multiphysics

Vi på COMSOL är inte experter på grafen, men vi vet hur vår mjukvara kan utnyttjas på bästa sätt. Vi erbjuder många möjligheter att lära mer om COMSOL Multiphysics och våra kommande evenemang hittar du här. Tveka heller inte att kontakta oss om du vill veta mer om hur COMSOL kan användas för just dina tillämpningar. Du kontaktar oss på telefon 08-412 95 00 eller fyller i följande formulär.

Article Categories

Article Tags

Share this article
List us on Facebook Folow us on Twitter Join us on Google+ Connect with us on LinkedIn
Loading Comments...