COMSOL 博客

三维多层石墨烯生物传感器的设计模拟

在整个科学界，石墨烯都可以说是一种有极强关注度和影响力的材料。石墨烯有许多用途，研究人员正尝试将其作为一种非常具有潜能的材料解决方案，用于医学和生物传感器应用设计。今天，我们将探讨仿真在分析和优化三维多层石墨烯生物传感器中是如何运用的。

通过化学气相沉积合成石墨烯

随着诸多应用中对石墨烯使用的不断增长，过去几年中，市场上对它的需求也在不断上涨。这也进一步推动了石墨烯合成方法背后的研究工作，其中之一是化学气相沉积 (CVD)。在本篇博客中，我们将介绍一个研究团队如何使用模拟来分析和增强 CVD 石墨烯生长机制。

二维材料，并非只有石墨烯

您也许听过这样一个故事，研究人员在一层石墨上反复用胶带粘贴，最终发现了石墨烯。石墨烯拥有许多优良的属性，比如它令人难以置信的强度、质量和电学属性；但并不是只有石墨烯具备这类属性。其他一些二维材料也可以用于电气应用，有些可以结合石墨烯使用，也有些材料可单独使用。

石墨烯革命：第五部分

在一篇名为”选择石墨烯基晶体管的栅介质“的论文中，讨论了半导体形式石墨烯的应用。正如我们之前所了解的，单层石墨烯并非一种半导体，它是一种零带隙导体（半金属）。人们正尝试向石墨烯中引入带隙，这将使它变得半导电，室温迁移率将比硅高一个数量级。人们现在正积极思考在攻克剩余技术难题之后，如何应用这类材料。半导体石墨烯的应用之一是设计下一代快速切换金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）。

石墨烯革命：第四部分

石墨烯可以在高真空下利用热分解制造。为了设计和优化这些高真空系统，工程师可能转向仿真寻求帮助，不过目前还没有多少仿真工具能胜任这一工作。让我们来看一下真空系统如何与石墨烯的生产相关，为什么要模拟它们，以及如何模拟。

石墨烯革命：第三部分

现在人人都在谈论石墨烯。上一次某个材料得到如此广泛的关注是什么时候？当然，其他材料之前也曾引起过我们的极大兴趣，但当某个事物最终被主流媒体频繁报道时，你就会知道它可能真的非常重要。

石墨烯革命：第二部分

我在之前的一篇博客中曾经介绍过石墨烯的一些奇异特性。石墨烯仅包含单层原子，这意味着任何石墨烯基结构都将有极高的纵横比；而高纵横比的几何也为模拟带来了各种挑战。 石墨烯的传热模拟 COMSOL 提供了多种工具来帮助模拟具有极高纵横比的几何及特征。最近，人们利用 COMSOL 对石墨烯“被子”进行了传热模拟，《Nature Communications》杂志的”用于高功率 GaN 晶体管热管理的石墨烯被子“一文介绍了该研究。论文作者使用 COMSOL Multiphysics 证实，可通过引入由薄层石墨烯 (FLG) 制作的额外散热通道，即顶面导热片，来显著提升 AlGaN/GaN 异质结场效应晶体管 (HFET) 的局部热管理。 COMSOL Multiphysics 的传热接口支持您使用薄层特征特征模拟极高纵横比的组件。这一特征仅求解表面切面处的传热方程，因此免去了在高纵横比层中使用极端细化网络的需求。使用此方法能够极大减少计算时间和内存使用。 薄层特征设定窗口。 石墨烯的电气模拟 从 2006 年开始，人们就已经使用 COMSOL 来研究石墨烯的电气特征。在这篇论文中，研究人员使用 COMSOL 来推导石墨烯基复合材料的面内和横向电导率。我们可以很轻松地在 COMSOL Multiphysics 中输入电导率的张量物理量。您仅需提供电导率张量元，它可以是温度或其他任何量的函数。 可以轻松在电流接口电流守恒特征的设定窗口中指定各向异性电导率。 石墨烯的结构力学模拟 COMSOL 也可以模拟石墨烯的结构力学应用。在这篇论文中，研究人员计算了石墨烯膜在压力差作用下产生的挠度和应变。可通过电气检测到带结构中的变化，这说明它可用于制造超灵敏压力传感器。结构力学模块的壳接口主要用于薄壁结构中的结构力学分析，因此非常适合此类应用。壳接口使用 Mindlin-Reissner 类公式，即考虑了横向剪切形变。这意味着我们无须对极薄结构进行网格剖分，就可以获得高精度的结果。 壳接口中材料模型的设定窗口。 相关示例模型 我们现在已经分析了热学、电气以及力学的模拟概念，您可能在想有什么模型能同时用到所有这些概念。确实有一个，您可以查看案例库中电路板加热模型，如下所示。 电路板加热模型演示了热学、电气以及力学模拟概念。 这一多物理场示例模拟了加热电路器件时电热的产生、传热，以及机械应力和变形。模型用到了传热模块的固体传热接口，AC/DC 模块的电流，壳接口，以及结构力学模块的固体力学和壳接口。

石墨烯革命：第一部分

石墨烯是一类由单层以碳原子六方晶格排列构成的特殊材料。2003 年，英国曼彻斯特大学的两位科学家发现了稳定态的石墨烯（巧的是，我当时正在该校攻读硕士学位），并因此获得了 2010 年的诺贝尔奖。近年来，石墨烯已成为主流报道中的常客；欧盟委员会承诺提供 10 亿欧元（没错，单位是亿欧元）的赞助来商业化石墨烯制造及应用。