Dynamics of planar soliton waves in graphene nanoribbons

Abstract

В последнее время проводятся интенсивные исследова-ния механических и физических свойств листов и про-тяженных нонолент графена. Особый интерес вызывает возможность существования локализованных солитон-ных возбуждений. В данной работе будет показано, что структура графена допускает существование плоских уединенных волн сжатия, обладающих солитонными свойствами. В наноленте графена, имеющей конечную ширину, такая солитонная волна имеет конечное время жизни из-за её взаимодействия с краями наноленты.Ранее возможность существования уединенных волн рассматривалась для одностенных углеродных нанотру-бок. В [1, 2] показано, что в континуальном прибли-жении нелинейная динамика нанотрубки может быть описана уравнением Кортевега-де Фриза и поэтому мо-гут существовать сверхзвуковые продольные солитоны сжатия. Более детальный анализ [3] показал, что данные решения не является точными. В нанотрубке могут су-ществовать только солитоноподобные возбуждения, сверхзвуковое движение которых всегда сопровождает-ся излучением фононов (излучение обусловлено кривиз-ной поверхности нанотрубки).С другой стороны в плоской молекулярной решетке могут существовать сверхзвуковые уединенные плоские волны сжатия, являющиеся точными решениями дис-кретной системы уравнений [4]. Структура плоского слоя графена тоже допускает существование таких ре-шений [3]. Возникает естественный вопрос могут ли су-ществовать такие солитонные волны сжатия в плоских нанолентах графена, принципиальной особеннностью которых является наличие свободных краев. Описание моделиГрафеновая нанолента (GRN) представляет собой ленту постоянной ширины вырезанную из одного плоского Показано, что в листе графена возможно распростра-нение плоских уединенных волн продольного сжатия, имеющих узкий интервал сверхзвуковых скоростей. В бесконечном листе фронт уединенной волны двигается с постоянной сверхзвуковой скоростью сохраняя свою форму, причем взаимодействие таких солитонных пло-ских волн происходит упруго без потери энергии на из-лучение фононов. Однако в наноленте графена конечной ширины, на краях наноленты происходит интенсивное излучение фононов приводящее к быстрому разруше-нию фронта волны. Время жизни плоской солитонной волны зависит от ширины наноленты -солитонная вол-на имеет конечную длину пробега примерно равную уд-военной ширине наноленты. It is demonstrated that planar solitary waves of the longitudinal compression can propagate in a graphene sheet with supersonic velocities from a narrow range. In an infinite sheet, such a solitary wave does not change its shape, and interaction between two solitary waves is elastic with no energy loss for radiation. However, in a graphene nanoribbon the solitary waves are affected by the nanoribbon edges which stipulate the phonon emission. As a result, the soliton lifetime becomes finite, and it is roughly equal to the double width of the nanoribbon.

Temperature effect on graphene strength

“…These results are in very good agreement with the edge of stability region reported in [16][17][18]. One can see from Fig.3 that the logarithm of the critical temperature for all deformation modes decreases almost linearly with increase of applied strain meaning that critical temperature decreases exponentially with increase in elastic strain.…”

“…[15], where the authors compare their theoretical stress-strain curves with experimental data in a wide range of elastic strain, up to 0.3. Propagation of solitons in graphene nanoribbons has been investigated in [16].…”

“…Ideal strength of graphene has been studied by atomistic simulations at zero temperature and the border of stability has been found in the three-dimensional strain space (ε xx , ε yy , ε xy ) [16][17][18]. Since devices are typically used and experiments are often carried out at room temperature or even at higher temperatures, it is important to understand the effect of temperature on properties of graphene, especially on its strength, in order to predict a range of possible applications.…”

Nonlinear breatherlike localized modes in C60nanocrystals

“…[6]. Such potentials have been employed for modeling of thermal conductivity of carbon nanotubes [7,8] graphene nanoribbons [6,10] and also in the analysis of their oscillatory modes [9,11,12].…”

Gap discrete breathers in 2D and 3D crystals

“…Два ближайших атома совершают колебания в противо-фазе с большой амплитудой. В расчет были заложены межатомные потенциалы, предложенные в работе [28] и успешно использованные при моделировании различ-ных свойств графена [14,15,[28][29][30]. На рис.…”