научная статья по теме СРЫВ КОЛЕБАНИЙ ГРАФЕНОВОГО РЕЗОНАТОРА КАК СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЕГО СПЕКТРАЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК Математика

Текст научной статьи на тему «СРЫВ КОЛЕБАНИЙ ГРАФЕНОВОГО РЕЗОНАТОРА КАК СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЕГО СПЕКТРАЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК»

ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, 2014, том 456, № 5, с. 537-540

= ФИЗИКА =

УДК 534.1

СРЫВ КОЛЕБАНИЙ ГРАФЕНОВОГО РЕЗОНАТОРА КАК СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЕГО СПЕКТРАЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСКТИК

© 2014 г. Академик Н. Ф. Морозов, И. Е. Беринский, член-корреспондент РАН Д. А. Индейцев,

О. В. Привалова, Д. Ю. Скубов, Л. В. Штукин

Поступило 12.02.2014 г

Б01: 10.7868/80869565214170101

Для наиболее точного определения спектральных характеристик необходимо получение амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) с ярко выраженным дискретным спектром. Ширина резонансного пика зависит от добротности системы, определяемой ее диссипативными свойствами. Внесение инерционного включения в такую систему изменяет ее спектр, что может быть использовано для выявления самого включения. Точность определения резонансной частоты зависит от ширины резонансного пика АЧХ (точность обратно пропорциональна добротности). Поэтому, с одной стороны, необходимо увеличивать добротность для наиболее точного определения изменения спектральных характеристик, с другой — ее уменьшать, чтобы не пропустить исследуемый резонанс. В настоящей работе предлагается использовать нелинейность АЧХ наноре-зонатора, находящегося под действием переменного электрического напряжения, с целью более стабильного определения его изменяющихся резонансных свойств.

Полученные в последнее время новые нанома-териалы и технологии их использования способствуют разработке принципиально новых нано-электромеханических систем, в частности, нано-резонаторов. Обзоры современного состояния подобных систем и их потенциальных приложений даны в [1, 2]. Одним из распространенных применений резонаторов является их использование в качестве детекторов массы. Такие системы представляют собой тонкую пленку, кристалл или кантеливер, колеблющиеся с частотой до нескольких сотен мегагерц. В результате прилипания частицы (молекулы, атома) к гибкой поверх-

Институт проблем машиноведения Российской Академии наук, Санкт-Петербург Санкт-Петербургский государственный политехнический университет

ности ее резонансная частота меняется. Этот эффект позволяет определить массу прилипшей частицы.

Серьезным недостатком при использовании резонатора на основе графена является его низкая добротность (порядка 100) [2, 3]. Последнее вызвано "джоулевой" диссипацией, т.е. преобразованием электрической энергии в тепловую из-за возникновения вихревых токов в самом графено-вом слое [4, 5].

В настоящей работе рассматривается принципиально новая возможность использования такого резонатора, позволяющая повысить точность измерения собственной частоты при невысокой добротности колебательной системы. Резонатор на основе графенового слоя рассматривается как электромеханическая колебательная система, в которой механические колебания графенового слоя возбуждаются переменным электрическим полем в пространстве между графеновым слоем и проводящей поверхностью. Такая система пред-ставет собой конденсатор, емкость которого зависит от поперечной деформации графенового слоя. Электрическое поле создается внешним источником переменного напряжения. В отличие от использования линейной АЧХ в настоящей работе предлагается учесть нелинейные эффекты, сопутствующие колебаниям в электрическом поле. Они приводят к "мягкой" АЧХ со срывом колебаний. Измерение частоты срыва возможно с большей точностью, чем нахождение максимума амплитуды линейной АЧХ.

Графеновый слой и проводящая поверхность являются обкладками конденсатора, который подключен к источнику переменного напряжения. Под действием сил взаимного притяжения между обкладками конденсатора графеновый слой прогибается. Это приводит к изменению емкости конденсатора в зависимости от прогиба. В первом

3

537

538

МОРОЗОВ и др.

приближении считаем, что емкость зависит от прогиба графенового слоя x(t)

C = sso , (1)

d0 - x (t)

где S — площадь обкладки, d0 — расстояние между графеновым слоем и проводящей поверхностью при отсутствии электрического поля.

Движения электромеханической системы описываются системой взаимосвязанных уравнений

О2dC • 1 U

mX - —--+ сд = 0, О + — О = -sin ю t, (2)

2 C2 dx ^ RC R W

где m — масса графенового слоя, cg — его жесткость на изгиб, Q — заряд конденсатора, R — сопротивление электрической цепи, подводящей к конденсатору переменное напряжение Usinat. Первое уравнение системы (2) описывает механические колебания графенового слоя (обкладки конденсатора) под действием электрической силы взаимного притяжения. Второе уравнение системы (2) представляет собой уравнение баланса напряжений в электрической цепи.

Введем безразмерные переменные т = Xt, q = -0 ,

О0

где X = М — собственная частота изгибных коле-I т

баний графенового слоя, О0 = С0и0 — исходный постоянный заряд конденсатора, возникающий под действием приложенного постоянного напряжения и0, = — .В результате получим систему

уравнений с "основными" параметрами, где точкой теперь обозначена производная по новому "безраз-

ю .

мерному" времени т, Q =

X

| - aq + = 0, q + к( 1 - £,)q = икsinQt. (3) Здесь параметры

a=

C о U0 , 2 m X2d0

к=

1

RC0X

и =

U U о.

(4)

Физический смысл введенных параметров следующий: а — отношение потенциальной (электрической) энергии конденсатора при начальном запасенном заряде О0 = С0 и0 к амплитуде кинетической энергии при гармонических колебаниях обкладки массы т с собственной частотой X и амплитудой d0, к — отношение периода свободных механических колебаний обкладки конденсатора ко времени затухания — убывания начального заряда емкости, включенной на сопротивление R,

и = — — масштабированная амплитуда внешнего

го гармонического напряжения.

Вдали от резонанса или при малом прикладываемом переменном напряжении (малом и) амплитуда колебаний обкладки мала. В этом случае можно считать емкость не зависящей от прогиба, и уравнения (3) линейные. При этом происходят вынужденные колебания графенового слоя с частотой 2Q.

Рассмотрим равновесие графенового слоя под действием постоянного электрического напряжения (Q = 0). Очевидно, что недеформированное состояние графенового слоя не является положением равновесия при наличии постоянного электрического поля. Положений равновесия может быть два — устойчивое с меньшей деформацией и неустойчивое с большей — или, в зависимости от прикладываемого напряжения, не быть вообще.

Учет влияния прогиба графенового слоя на емкость конденсатора приводит к трем основным выводам. Во-первых, сила взаимодействия эквивалентна наличию упругого основания с нелинейной отрицательной упругостью. Во-вторых, внешнее поле возбуждает вынужденные колебания с удвоенной частотой по отношению к частоте внешнего воздействия (электрического напряжения). В-третьих, возможно возбуждение параметрических колебаний.

Резонансные режимы возможны вблизи Q = 0.5 (совпадение обычного резонанса со вторым параметрическим) и при Q = 1 (главный параметрический резонанс).

Приближенное решение нелинейной системы (3) будем искать в предположении малости a = 6 a

и большого значения к = к . Решение системы (3)

6

может быть найдено методом, подобным методу Ван-дер-Поля. Переменную ищем в виде квазигармонической функции с "медленными" коэффициентам as, ac при гармониках и c обязательным удержанием медленно меняющейся постоянной составляющей a0:

£,(т) = а0(бт) + as (бт) sin т + ас(бт) cos т,

. (5) 4(т) = as(бт) cosт - ac(бт) sinт.

Используя проекционный метод, для медленных коэффициентов получим систему интегро-дифференциальных уравнений:

6 ~ f 2 6 ~ Г 2

a0 = —a q dT, as = -a q cosтdT,

2 n

2п

ac = -6a Jq2sinTdT.

(6)

n

0

Квазистационарное решение второго уравнения системы (3) ищем, пренебрегая первым слагаемым. Физически такое пренебрежение соот-

2

2

п

п

0

0

СРЫВ КОЛЕБАНИИ ГРАФЕНОВОГО РЕЗОНАТОРА

539

5

0.4 0.3 0.2 0.1 0 -0.1 -0.2

0

0.8 0.6 0.4 0.2

0

-0.2 -0.4 -0.6

500

0.8 0.6 0.4 0.2

0

-0.2 -0.4 -0.6

500 т

П = 0.38 -0.8 НР П = 0.50 П = 0.51

Рис. 1. Численное решение ^(т) при различных частотах возбуждения.

5 0.8

-0.2 -0.4 -0.6 -0.8

250 т

Рис. 2. Численное решение О = 0.5.

ветствует малой постоянной времени электрической цепи. Тогда для заряда имеем следующее выражение:

Я

ц бш От

1 - %

ибш от

р - а,,Б1пт - асеоБт

(7)

Г~2 2

, , ла, + ас ас

где р = 1 - а0, Ь = --с, ф = - .

р а

Для интегралов в (8) получены аналитические выражения:

/0 =

1 - еоБ т

Рассмотрим режим, близкий к обычному резонансу, т.е. О = 0.5 + б5 с малой отстройкой от резонанса. Тогда уравнения (6) приобретают вид

2[ 1 - Ь бш (т + ф)]

-йт =

п

2п

ап =

2па(р) I

1 - еоБ т

(1 - Ь2 )Л

:(1 - ЬБШф),

2 [ 1 - Ь бш (т + ф)]

-йт,

2п

= 1

-Ь 1 - еоБ т

6 --с к

р) I

1 - еоБ т

2 [ 1 - Ь бш (т + ф)]2

■еоБ т йт, (8)

Ь п

2 [ 1 - Ь бш (т + ф)]

-еоБтйт =

бш ф + -11 -

(1 - Ь2 )71 - Ь2 Ь л/Г-Ь

1 ) 2 -)пеоБ ф-

г 2)

■па (р) I

1 - еоБ т

2 [ 1 - Ь бш (т + ф)]

-бш тйт,

1 -

+

Ь - Ь2 (1 - Ь2 )7 1 - Ь2

П Б1П ф,

(9)

2

п

0

2

п

0

с

0

0

0

000215000101000201000201480200010002

540

МОРОЗОВ и др.

%

0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0

0.44 0.46 0.48 0.50 0.52 0.54 0.56 0.58

Q

Рис. 3. Амплитудно-частотная характеристика.

2п

= \

1 - cos т

2 [ 1 - b sin (т + ф)]2

■sin тйт =

b я

( 1 - b2 )JÎ

;COS ф +

- bA

+

bVl - b2 b2 2 ( 1 - b2)V 1 - b2

:)я sin2 ф.

Система уравнений (9) в стационарном случае, когда амплитуда колебаний Ь, фаза ф и a0 являются постоянными, при выбранных параметрах ба = 0.1,

к = 10, и = 1 имеет два решения с разными посто-6

янными составляющими a0 = 0.0455, a0 = 07677 и

одинаковыми Ь = 0.7071 и ф = 1.5708 - - . Первое

соответствует устойчивому, второе — неустойчивому стационарному периодическому режиму. В случае установившихся колебаний устойчивым является движение слоя с меньшей постоянной составляющей и большей амплитудой.

Приведем результаты численного расчета задачи Коши системы уравнений (3) для указанных выше параметров. На рисунках приведены осциллограммы О в случаях £,(х), близких к 0.5 (рис. 1).

Рисунок 1 — численное решение £,(х) при различных частотах возбуждения. Хорошо виден срыв колебаний при уменьшающихся значениях ниже 0.5. Послед

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком