Modello numerico per la caratterizzazione elettromeccanica dei nanotubi di carbonio

Abstract

Nell’ultimo decennio i nanotubi di carbonio (Carbon nanotubes, CNTs) hanno suscitato un considerevole interesse nella comunità scientifica internazionale a causa delle loro proprietà meccaniche, bassa densità ed elevata conducibilità termica. I CNT possiedono inoltre peculiari proprietà elettroniche dipendenti da elicoicità e stato di deformazione, rendendoli potenziali elementi costruttivi di una nuova tecnologia nano-elettronica. Numerosissimi dispositivi elettronici basati sui CNTs (transistors, nano-switches, attuatori, ecc.) sono già stati realizzati. Un nuovo approccio è stato sviluppato per investigare la deformazione dei CNTs e si basa su modelli agli elementi finiti accuratamente sviluppati in base alla conoscenza dalla distribuzione spaziale degli atomi nella struttura del nanotubo e alla natura dei legami interatomici. Anche le interazioni di tipo attrattivo e repulsivo sono state implementate nel modello. La metodologia, essendo estremamente meno dispendiosa dal punto di vista computazionale degli approcci atomistici, consente di simulare la deformazione di sistemi con un gran numero di atomi e di analizzare il comportamento dei CNTs anche in presenza di condizioni al contorno di particolare complessità. Al fine di investigare l’effetto della deformazione sulle proprietà elettroniche dei CNTs si è sviluppato un complesso codice Tight-Binding (TB) in grado di ridurre notevolmente la potenza di calcolo richiesta. Tale codice TB è stato implementato nel codice meccanico consentendo un’analisi elettro-meccanica accoppiata, dove è possibile ottenere le caratteristiche V-I ad ogni cambiamento di configurazione del sistema. La disponibilità di tale approccio elettro-meccanico ha già consentito di riprodurre con successo un esperimento di laboratorio. Simili potenzialità consentono lo studio di sistemi di elevatissimo interesse industriale e scientifico, alcuni di questi sistemi sono stati analizzati con il nuovo approccio numerico.