Effect of Double-Atom Vacancy Defects on the Elastic Properties of Single-Layered Graphene Sheets

A molecular structural mechanics approach is used to study the effect of double-atom vacancy defects (DAVD) on the elastic properties of zigzag and armchair single-layered graphene sheets (SLGS). To this end, the space frame structure is also adopted to model the interatomic forces of the C–C bonds. The numerical simulation results obtained via the finite element method strongly suggest that double-atom vacancy defects reduce the elastic module of SLGS, which effect weakens with graphene size. Finally, the elastic modulus and Poisson’s ratio of SLGS are found to decrease with the number of DAVDS.В рамках подхода молекулярной структурной механики исследуется влияние двойных атомарных вакансионных дефектов кристаллической решетки на упругие свойства однослойных листов графена с зигзагообразной и плетеной структурой. Для моделирования межатомных сил связей типа углерод–углерод используется пространственная структурная сетка. Результаты численного моделирования, полученные методом конечных элементов, подтверждают, что наличие указанных вакансионных дефектов снижает модуль упругости графена, что приводит к уменьшению его несущей способности. Установлено, что увеличение количества вакансионных дефектов обусловливает снижение модуля упругости и коэффициента Пуассона однослойных листов графена.У рамках підходу молекулярної структурної механіки досліджується вплив подвійних атомарних вакансійних дефектів кристалічної гратки на пружні властивості одношарових листів графена із зигзагоподібною та плетеною структурою. Для моделювання міжатомних сил зв’язків типу вуглець–вуглець використовується просторова структурна сітка. Результати чисельного моделювання, отримані методом скінченних елементів, підтверджують, що наявність указаних вакансійних дефектів знижу є модуль пружності графена, що призводить до зменшення його несівної здатності. Установлено, що збільшення кількості вакансійних дефектів призводить до зниження модуля пружності та коефіцієнта Пуассона одношарових листів графена

Multiscale Modeling-Based Assessment of Elastic Properties of SLGS-Polymer Nanocomposites with Double-Atom Vacancy Defects

In this study, which is a continuation of our earlier work, the effect of double-atom vacancy defects (DAVD) on the elastic properties of single-layered graphene sheets (SLGS)-polymer nanocomposites is assessed by the multiscale modeling. According to the latter approach, the polymer matrix is modeled by finite element approach, while the SLGS and interphase layer are simulated at the atomistic scale by the molecular structural mechanics approach. In view of the Lennard–Jones potential concept, it is assumed that the SLGS and polymer matrix are related by van der Waals reciprocity. The fact that the elastic modulus of a polymer with 5% volume fraction of SLGS is increased by 17 times is demonstrated by numerous simulation results. It is also shown that the elastic modulus of SLGS-polymer nanocomposites with DAVDs is deteriorated with an increase in the number of DAVDs and improved with the increased volume fraction of SLGS.В рамках ранее предложенного авторами подхода на основе мультимасштабного моделирования исследуется влияние двойных атомарных вакансионных дефектов на упругие свойства полимерных нанокомпозитов из однослойных листов графена. Моделирование полимерной матрицы осуществляется методом конечных элементов, а интерфазный слой и однослойный лист графена моделируются на атомарном уровне в рамках молекулярной структурной механики. На основании концепции потенциала Леннарда Джонса предполагается наличие зависимости ван дер Ваальса между свойствами однослойных листов графена и полимерной матрицы. Результаты численных расчетов показывают, что модуль упругости полимера можно увеличить в 17 раз за счет добавления 5%-ной объемной доли однослойного листа графена. Установлено, что при увеличении количества двойных атомарных вакансионных дефектов модуль упругости полимерных композитов из однослойными листами графена снижается, в то время как с ростом объемной доли однослойных листов графена наблюдается его повышение.У рамках раніше запропонованого авторами підходу на основі мультимасштабного моделювання досліджується вплив подвійних атомарних вакансійних дефектів на пружні властивості полімерних нанокомпозитів з одношарових листів графена. Моделювання полімерної матриці виконано методом скінченних елементів, а інтерфазний шар і одношаровий лист графена моделюються на атомарному рівні в рамках молекулярної структурної механіки. На основі концепції потенціалу Леннарда Джонса припускається наявність залежності ван дер Ваальса між властивостями одношарових листів графена і полімерної матриці. Результати чисельних розрахунків показують, що модуль пружності полімеру можна збільшити в 17 разів за рахунок додання 5%-ної об ємної частки одношарового листа графена. Установлено, що з ростом кількості подвійних атомарних вакансійних дефектів модуль пружності полімерних композитів з одношаровими листами графена зменшується, в той час як зі зростанням об ємної частки одношарових листів графена відмічається його підвищення

Dynamical surface structures in multi-particle-correlated surface growths

We investigate the scaling properties of the interface fluctuation width for the $Q$-mer and $Q$-particle-correlated deposition-evaporation models. These models are constrained with a global conservation law that the particle number at each height is conserved modulo $Q$. In equilibrium, the stationary roughness is anomalous but universal with roughness exponent $\alpha=1/3$, while the early time evolution shows nonuniversal behavior with growth exponent $\beta$ varying with models and $Q$. Nonequilibrium surfaces display diverse growing/stationary behavior. The $Q$-mer model shows a faceted structure, while the $Q$-particle-correlated model a macroscopically grooved structure.Comment: 16 pages, 10 figures, revte

Short-time scaling behavior of growing interfaces

The short-time evolution of a growing interface is studied within the framework of the dynamic renormalization group approach for the Kadar-Parisi-Zhang (KPZ) equation and for an idealized continuum model of molecular beam epitaxy (MBE). The scaling behavior of response and correlation functions is reminiscent of the ``initial slip'' behavior found in purely dissipative critical relaxation (model A) and critical relaxation with conserved order parameter (model B), respectively. Unlike model A the initial slip exponent for the KPZ equation can be expressed by the dynamical exponent z. In 1+1 dimensions, for which z is known exactly, the analytical theory for the KPZ equation is confirmed by a Monte-Carlo simulation of a simple ballistic deposition model. In 2+1 dimensions z is estimated from the short-time evolution of the correlation function.Comment: 27 pages LaTeX with epsf style, 4 figures in eps format, submitted to Phys. Rev.

Non-Linear Stochastic Equations with Calculable Steady States

We consider generalizations of the Kardar--Parisi--Zhang equation that accomodate spatial anisotropies and the coupled evolution of several fields, and focus on their symmetries and non-perturbative properties. In particular, we derive generalized fluctuation--dissipation conditions on the form of the (non-linear) equations for the realization of a Gaussian probability density of the fields in the steady state. For the amorphous growth of a single height field in one dimension we give a general class of equations with exactly calculable (Gaussian and more complicated) steady states. In two dimensions, we show that any anisotropic system evolves on long time and length scales either to the usual isotropic strong coupling regime or to a linear-like fixed point associated with a hidden symmetry. Similar results are derived for textural growth equations that couple the height field with additional order parameters which fluctuate on the growing surface. In this context, we propose phenomenological equations for the growth of a crystalline material, where the height field interacts with lattice distortions, and identify two special cases that obtain Gaussian steady states. In the first case compression modes influence growth and are advected by height fluctuations, while in the second case it is the density of dislocations that couples with the height.Comment: 9 pages, revtex

Electronic Structure of the Complex Hydride NaAlH4

Density functional calculations of the electronic structure of the complex hydride NaAlH4 and the reference systems NaH and AlH3 are reported. We find a substantially ionic electronic structure for NaAlH4, which emphasizes the importance of solid state effects in this material. The relaxed hydrogen positions in NaAlH4 are in good agreement with recent experiment. The electronic structure of AlH3 is also ionic. Implications for the binding of complex hydrides are discussed.Comment: 4 pages, 5 figure

Spin-Polarized Transport Across an La0.7_{0.7}Sr0.3_{0.3}MnO3_{3}/YBa2_{2}Cu3_{3}O7_{7} Interface: Role of Andreev Bound States

Transport across an La$_{0.7}$Sr$_{0.3}MnO$_{3}/YBa$_{2}Cu$_{3}$O$_{7}$(LSMO/YBCO), interface is studied as a function of temperature and surface morphology. For comparison, control measurements are performed in non-magnetic heterostructures of LaNiO$_{3}$/YBCO and Ag/YBCO. In all cases, YBCO is used as bottom layer to eliminate the channel resistance and to minimize thermal effects. The observed differential conductance re ects the role of Andreev bound states in a-b planes, and brings out for the first time the suppression of such states by the spin-polarized transport across the interface. The theoretical analysis of the measured data reveals decay of the spin polarization near the LSMO surface with temperature, consistent with the reported photoemission data.Comment: 5 pages LaTeX, 3 eps figures included, accepted by Physical Review

Ultrastrong conductive in situ composite composed of nanodiamond incoherently embedded in disordered multilayer graphene

Traditional ceramics or metals cannot simultaneously achieve ultrahigh strength and high electrical conductivity. The elemental carbon can form a variety of allotropes with entirely different physical properties, providing versatility for tuning mechanical and electrical properties in a wide range. Here, by precisely controlling the extent of transformation of amorphous carbon into diamond within a narrow temperature–pressure range, we synthesize an in situ composite consisting of ultrafine nanodiamond homogeneously dispersed in disordered multilayer graphene with incoherent interfaces, which demonstrates a Knoop hardness of up to ~53 GPa, a compressive strength of up to ~54 GPa and an electrical conductivity of 670–1,240 S m(–1) at room temperature. With atomically resolving interface structures and molecular dynamics simulations, we reveal that amorphous carbon transforms into diamond through a nucleation process via a local rearrangement of carbon atoms and diffusion-driven growth, different from the transformation of graphite into diamond. The complex bonding between the diamond-like and graphite-like components greatly improves the mechanical properties of the composite. This superhard, ultrastrong, conductive elemental carbon composite has comprehensive properties that are superior to those of the known conductive ceramics and C/C composites. The intermediate hybridization state at the interfaces also provides insights into the amorphous-to-crystalline phase transition of carbon

Hypergravity effects on glide arc plasma

The behaviour of a special type of electric discharge – the gliding arc plasma – has been investigated in hypergravity (1g –18g) using the Large Diameter Centrifuge (LDC) at ESA/ESTEC. The discharge voltage and current together with the videosignal from a fast camera have been recorded during the experiment. The gliding of the arc is governed by hot gas buoyancy and by consequence, gravity. Increasing the centrifugal acceleration makes the glide arc movement substantially faster. Whereas at 1g the discharge was stationary, at 6g it glided with 7 Hz frequency and at 18g the gliding frequency was 11 Hz. We describe a simple model for the glide arc movement assuming low gas flow velocities, which is compared to our experimental results