मैं घुमाता हूं और घुमाता हूं, मैं भ्रमित करना चाहता हूं: दो-परत ग्राफीन के साथ जोड़तोड़



2004 में, वैज्ञानिक समुदाय पहली बार अपने भौतिक रूप में ग्रेफीन से परिचित हुआ। कई दशकों से, इस अद्भुत सामग्री के बारे में कई सिद्धांत हैं। वास्तविक ग्राफीन की प्राप्ति के बाद से, हमने इसके बारे में बहुत कुछ सीखा है, लेकिन सभी नहीं। उरबाना-शैंपेन (यूएसए) में इलिनोइस विश्वविद्यालय के वैज्ञानिकों ने ग्राफीन प्लेटों के बजाय असामान्य प्रयोगों का संचालन करने का फैसला किया। अध्ययन से पता चला कि ग्राफीन प्लेटों के आयाम और परिवेश के तापमान सीधे संरचना की स्थिरता को प्रभावित करते हैं, जिसका उपयोग एक निश्चित आकार की संरचना प्राप्त करने के लिए किया जा सकता है, जिससे इसके गुणों में बदलाव होता है। प्रयोग वास्तव में कैसे किए गए थे, बिलीयर ग्रेफीन पर कौन से नए डेटा प्राप्त किए गए थे, और ज्ञान को कैसे व्यवहार में लाया जाए? हम वैज्ञानिकों की रिपोर्ट से इसके बारे में सीखते हैं। जाओ।

अध्ययन का आधार


अध्ययन की एक वस्तु के रूप में, यह न केवल ग्राफीन, बल्कि इसका दो-परत संस्करण बन गया। जैसा कि नाम से ही स्पष्ट है कि इस तरह की संरचना में दो ग्राफीन प्लेट एक दूसरे से सटे होते हैं, जिनके बीच की दूरी लगभग 1 मीटर है। एक नियम के रूप में, दो-परत ग्राफीन में, निचली प्लेट को 60 डिग्री तक ऊपरी एक के सापेक्ष घुमाया जाता है, जिसके कारण निचली प्लेट में उप-वर्ग ए और ऊपरी में उप-वर्ग बी को ऊर्ध्वाधर दिशा (एबी कॉन्फ़िगरेशन) में गठबंधन किया जाता है।


बिली ग्राफीन ( स्रोत ) में AA और AB प्लेट विन्यास के उदाहरण

ग्राफीन पर आधारित द्वि-आयामी संरचना का यह संस्करण केवल एक से दूर है। तो, वैज्ञानिकों के उदाहरण के अनुसार, ग्रेफाइट के साथ ग्रेफीन को अलग करने की एक विधि है, जिसके परिणामस्वरूप गुणों में एक पूरी तरह से नई संरचना होती है। लेकिन आप न केवल घटक तत्वों को बदलकर, बल्कि उनके स्थान को बदलकर भी विशेषताओं को बदल सकते हैं।

एक समय में चयनित क्षेत्र और अंधेरे क्षेत्र माइक्रोस्कोपी से विचलन रासायनिक वाष्प जमाव द्वारा निर्मित बिलीयर ग्रेफीन प्लेटों में घुमाए गए क्षेत्रों की उपस्थिति की पुष्टि करता है।

लुढ़का बाइलियर ग्राफीन असामान्य गुणों की एक विस्तृत श्रृंखला प्रदर्शित कर सकता है, जिसमें अतिचालकता, फेरोमैग्नेटिज़्म और यहां तक ​​कि चिकनाई भी शामिल है। ये सभी क्षमताएं रोटेशन के कोण के कारण इंटरलेयर संचार में परिवर्तन के कारण हैं। इंटरलेयर युग्मन का निर्धारण करने वाला एक महत्वपूर्ण पैरामीटर यूनिट सेल की अवधि है, जिसे मोरी सुपरलैटिस कहा जाता है, जो रोटेशन के कोण में छोटे बदलावों के साथ दृढ़ता से बदलता है।

ग्रेफाइट सतहों पर घुमाए गए ग्रेफाइट के गुच्छे (प्लेट पार्ट्स) के घर्षण का अध्ययन चिकनी फिसलने (बढ़ी हुई चिकनाई) से गुजर सकता है, इसके बाद ग्रेफीन तत्व के रोटेशन के साथ जुड़े कमिंग के अचानक बंद होने के बाद इसका कॉम्पेन्सुर एबी-पैकिंग में वापस आ जाता है। हमने बाद के रपट के साथ ग्राफीन के गुच्छे के एक असंगत (घुमाए हुए) व्यवस्था के लिए एक कम्यूनिकेट (एबी कॉन्फ़िगरेशन के साथ) से एक संक्रमण देखा।

आणविक अध्ययनों ने ग्राफीन के गुच्छे को खोलने के लिए संभावित ऊर्जा बाधाओं के अस्तित्व को दिखाया है, लेकिन इन बाधाओं के मूल में गुच्छे के आकार और इसके थर्मल स्थिरता के संबंध में अभी तक अध्ययन नहीं किया गया है।

आज हम जिस अध्ययन पर विचार कर रहे हैं, वैज्ञानिक बताते हैं कि समय-समय पर मौआ संरचनाओं की छंटनी के परिणामस्वरूप होने वाले अंतिम किनारों के प्रभाव कई मोड़ कोणों पर ग्राफीन प्लेट को खोल देने के लिए कई संभावित ऊर्जा अवरोध पैदा करते हैं। गुच्छे के आकार के साथ इन ऊर्जा अवरोधों की संख्या और परिमाण पैमाने पर होते हैं और घूर्णी राज्यों के आकार पर निर्भर थर्मल स्थिरता के लिए नेतृत्व करते हैं।

मोडलिंग


LAMMPS सॉफ्टवेयर पर आधारित बड़े पैमाने पर आणविक गतिकी मॉडलिंग का उपयोग करके मुड़ दो-परत ग्राफीन की घूर्णी स्थिरता का अध्ययन किया गया था एक निश्चित आकार के ग्राफिकल फ्लेक्स को AB के विन्यास में घुमाते हुए एक निश्चित आकार की ट्विस्टेड दो-लेयर ग्राफीन की मॉडल संरचनाएँ बनाई गई थीं, जो प्रारंभिक मिथ्याकरण कोण के साथ एक स्वतंत्र रूप से निलंबित अंतहीन ग्राफीन शीट पर θ = 7.34 ° विमान ( 1a ) के बाहर अक्ष के सापेक्ष है
मिसोरिनेशन * - एक पॉलीक्रिस्टलाइन सामग्री में दो क्रिस्टलीय के बीच क्रिस्टलोग्राफिक अभिविन्यास में अंतर।


छवि संख्या 1

इस कोण पर दो घुमाए गए ग्राफीन झंझरी का एक सुपरपोजिशन एल पी = 1.9 एनएम ( 1 बी ) की आवधिकता के साथ मौआ पैटर्न बनाता है प्रत्येक यूनिट मायर सेल में कई अलग-अलग कॉन्फ़िगरेशन - एबी, एए, बीए और एसपी ( 1 ) के साथ परमाणु होते हैं
Moire pattern * - एक पैटर्न जो एक दूसरे के दो आवधिक जाल पैटर्न पर सुपरइम्पोज़िंग द्वारा प्राप्त किया जाता है।
मौइर यूनिट सेल के आकार को फिट करने के लिए ग्राफीन के गुच्छे (टॉप प्लेट) की छंटनी की गई। इसका मतलब यह है कि ग्राफीन फ्लेक में that = 7.34 ° पर 1 मौइर पीरियड होता है और इसे L1xL1 कहा जाता है।

इसके अलावा, इस यूनिट सेल को राइनॉम्बे एज 3.8, 7.6, 11.4 और 61.4 एनएम के आयामों के साथ ग्राफीन फ्लेक्स L2xL2, L4xL4, L6xL6 और L32xL32 प्राप्त करने के लिए प्लानर दिशाओं में 2, 4, 6, और 32 बार कॉपी किया गया था।

बिलीयर ग्रेफीन के प्राप्त मॉडल में, इन-प्लेन CC बॉन्ड (कार्बन परमाणुओं के बीच सहसंयोजक बंधन) एक प्रतिक्रियाशील अनुभवजन्य बॉन्ड मॉडल (REBO) द्वारा वर्णित किए गए हैं, और अनबाउंड इंटरलेयर इंटरैक्शन कोलमोगोरोव-क्रिस्पी क्षमता द्वारा दर्शाए गए हैं, जो इंटरलेयर सतह संभावित ऊर्जा के परिमाण और एनिसोट्रॉफी को सही ढंग से दर्शाता है।

एबी कॉन्फ़िगरेशन में बाइलियर ग्राफीन की पैकिंग फॉल्ट एनर्जी * (एसएफई) की गणना भी की गई
पैकिंग दोष * - एक निकट-पैक क्रिस्टलीय संरचना में परमाणु विमानों की पैकिंग के सामान्य अनुक्रम का उल्लंघन।
प्राप्त SFE मान स्थानीय घनत्व सन्निकटन का उपयोग करते हुए घनत्व कार्यात्मक सिद्धांत (डीएफटी) के आधार पर गणनाओं में प्राप्त किए गए लगभग 2% अलग हैं, साथ ही डीएफटी गणना जो वैन डेर वाल्स इंटरैक्शन को ध्यान में रखते हैं।

शोध का परिणाम


घुमाए गए ग्रेफीन के गुच्छे 1 ns के लिए एक Berenden थर्मोस्टेट और फिर 3 ns (निश्चित समय चरण 1 fs) के लिए एक नाक-हूवर थर्मोस्टेट का उपयोग करके 300 से 3000 K तक के तापमान पर थर्मल संतुलित थे।


चित्र संख्या 2

ग्राफ़ 2 ए - 2 डी विभिन्न तापमानों पर एक संतुलन अवधि (4 एनएस) के दौरान ग्राफीन फ्लेक एल 4 एक्सएल 4 के रोटेशन के कोण में परिवर्तन दिखाते हैं। 300 K पर, ग्राफीन परत अपने प्रारंभिक कोण से घूमती है 4 = 7.34 ° से θ = ∼8 ° ( 2 ° )। हालाँकि, 600 K पर, ग्राफीन परत पहले से ही ∼ = ∼6.4 ° ( 2b) के विपरीत दिशा में घूमती है) 640 K के बराबर उच्च तापमान, पुनरावृत्ति के कोण में एक कदम परिवर्तन की ओर जाता है: पहले θ = 7.34 ° से 0.25 ns पर 6.4 °, फिर 0.5 ns पर = 4.5 ° और 2.25 ns ( 2c ) पर = 2.6 °

तापमान में 650 K की मामूली वृद्धि के साथ, ग्राफीन परत तुरंत खोल देता है, अपने मूल विन्यास AB को 2 = 0 ° ( 2d ) पर पुनर्स्थापित करता है । ग्रेफीन के गुच्छे के ये अलग-अलग संक्रमणकालीन मोड़ मौआ पैटर्न और आवधिकता ( 2 जी ) में बदलाव के साथ हैं

इन मोड़ परिवर्तनों की एक उत्सुक विशेषता गुच्छे के आकार पर उनकी निर्भरता है। इसलिए, छोटे ग्राफीन फ्लेक्स L1xL1 के लिए, एक स्थिर AB कॉन्फ़िगरेशन (θ = 0 °) के बिना तत्काल अनुपलब्ध पहले से ही 300 K ( 2T ) पर होता है) लेकिन बड़े ग्राफीन फ्लेक L32xL32 1000 K ( 2f ) के तापमान पर in में मामूली बदलाव दिखाता है

फिर, वैज्ञानिकों गणना की कुल संभावित ऊर्जा ई टी θ वैश्विक न्यूनतम ऊर्जा ई के सापेक्ष टी एबी जब untwisting अलग ग्राफीन गुच्छे।


छवि संख्या 3

कई ऊर्जा अवरोधों और संभावित ऊर्जाओं के स्थानीय मिनिमा का अस्तित्व तब देखा गया जब ग्राफीन के गुच्छे ated = °8 ° से अनौपचारिक रूप से अनियंत्रित अवस्था तक पहुँचने के लिए, जो θ = ° पर एक वैश्विक न्यूनतम है। गुच्छे के आकार में वृद्धि से अनइंडिंग के लिए संभावित ऊर्जा अवरोधों की संख्या बढ़ जाती है, साथ ही साथ इन ऊर्जा अवरोधों की भयावहता भी बढ़ जाती है।

सबसे छोटा ग्राफीन फ्लेक L1xL1 में 0.052 eV ( 3a ) की कम अवरोध ऊर्जा के साथ ∼ = °8 ° पर एक स्थानीय न्यूनतम होता है , जिसे कमरे के तापमान ( 2e ) पर स्वतःस्फूर्त रूप से समझाया जाता है । L2xL2 ग्राफीन प्लेट के लिए, दो स्थानीय मिनिमा वर्तमान में 8.51 ° और 5.81 ° पर क्रमशः 0.17 और 0.31 eV की बाधा ऊर्जा के साथ विकसित हो रही हैं, ( 3b )।

ग्राफीन प्लेट L4xL4 के लिए, चार स्थानीय रूप से स्थिर रोटेशन कोण ( 3s ) देखे गए , जो 2a - 2d पर चार संक्रमण अवस्थाओं के अनुरूप है।। The = 7.34 ° पर प्रारंभिक स्थिति ऊर्जावान रूप से प्रतिकूल है, क्योंकि यह स्थानीय शिखर के पास है, जिसके परिणामस्वरूप ग्राफीन परत अपने स्थानीय न्यूनतम 8.0 = 8.08 ° ( 2a ) पर एक और θ = 0.74 ° घूमता है । ग्राफीन फ्लेक में 600 K पर पहले ऊर्जा अवरोध (E b = 0.36 eV) और बाद में आने वाले सभी को छोड़कर बाकी सभी ऊर्जा है जो 640 K. के उच्च तापमान (650 K) पर अंतिम ऊर्जा अवरोध (E b = 0.74 eV) को छोड़कर है । ) आप एबी के विन्यास को प्राप्त करने के लिए अंतिम ऊर्जा अवरोध को पार करने की अनुमति देते हैं।

बड़े ग्राफीन फ्लेक्स L32xL32 के लिए, 32 अवरोध देखे गए (प्रत्येक लगभग ई बी में= 3 ... 6 ईवी) प्रत्येक दिशा ( 3 डी ) के साथ 32 प्रारंभिक मौआ सुपरलिटिस के अनुरूप है

ये कई ऊर्जा अवरोध उच्च तापमान (3000 K) पर भी L32xL32 ग्राफीन परत के रोटेशन की स्थिरता सुनिश्चित करते हैं, जो रासायनिक वाष्प जमाव द्वारा ग्राफीन की वृद्धि के दौरान तापमान के बराबर है।

का उपयोग करते हुए अर्हनीस समीकरण * , एक रोटेशन राज्य से संक्रमण की दर (θ 1 ) दूसरे करने के लिए (θ 2 ) के रूप में कश्मीर व्यक्त किया जा सकता θ 1 → θ 2 = ऐ ई - बी / k बी टी , जहां कश्मीर बी है बोल्ट्जमान निरंतरता *
* k T.

* (k) . k = 1380649 10-23 /.
इस प्रकार, प्रारंभिक मोड़ कोण 4 = 7.34 ° के पास पहले स्थिर राज्य (for 1 ) में बढ़ते आकार के पांच ग्राफीन गुच्छे के लिए संभावित ऊर्जा ई b1 के अवरोधों को प्राप्त किया गया था फिर, सक्रियण तापमान (टी) के मूल्य को प्राप्त करने के लिए तापमान धीरे-धीरे बढ़ाया गया था, जिस पर ग्राफीन फ्लेक ई 1 बी को पार करता है और पड़ोसी राज्य में स्थिर होता है (in 2 )। वैज्ञानिकों ने ध्यान दिया कि गुच्छे के आकार में वृद्धि से ई बी 1 बढ़ जाता है और अनइंडिंग के पहले मामले के लिए एक उच्च सक्रियण तापमान टी की ओर जाता है। उच्च ई b1 के कारण



सबसे बड़े ग्राफीन फ्लेक L32xL32 के लिए 3.93 eV के बराबर, हम 3000 K के तापमान पर भी ग्राफीन फ्लेक की कताई का निरीक्षण नहीं करते हैं।

फिर, संभावित ऊर्जा की गणना पूरी तरह से आवधिक घुमाए गए दो-परत ग्रेफाइट के साथ की गई थी, जो मोर सुपरलैटिस के साथ समान संख्या में परमाणुओं में स्केल की गई थी। तुलना के लिए L32xL32।

नतीजतन, ई के सुचारू क्षय की प्रक्रिया टी θ - ई टी एबी पूरी तरह से समय-समय पर मौआ superlattices के तनाव मुक्त (के साथ (जैसे कि, ऊर्जा बाधाओं के बिना) 3 डी) हालांकि, घुमाए गए ग्राफीन के गुच्छे में, किनारों के पास मौआ सुपरलैटिस "कट ऑफ" हैं, जो अंत में अनइंडिंग के दौरान संभावित ऊर्जा के आवधिक उतार-चढ़ाव की ओर जाता है। इसके बाद, किनारों r पर मौइर सुपरलैटिस की इस अपूर्ण आवधिकता का एक मात्रात्मक निर्धारण किया गया था , जैसा कि मौआ अवधि L p (θ) पर गुच्छे L के आकार के शेष के रूप में था रोटेशन कोण, जिस पर r / L p 1 से 0 तक तेजी से बदलता है, पूरी तरह से विकसित (काट-छाँट नहीं) का संकेत देता है ग्राफीन फ्लेक के लिए पूरी तरह से आवधिक घूमता हुआ बिलियन ग्राफीन।



अनइंडिंग के दौरान, प्रत्येक ग्राफीन परत प्रारंभिक स्तर की मौय अवधियों (L4xL4 के लिए 4, L32xL32, आदि के लिए 32;) के बराबर ऊर्जा स्तर के कई स्थानीय मिनीमा को काटती है।


छवि नंबर 4

पर 4 ए और 4 बी यह देखा गया है कि दोनों घूर्णन की ग्राफीन ई के लिए प्रत्येक परमाणु के संभावित ऊर्जा θ और ABAB-विन्यस्त ग्राफीन, EAB मूल्य कार्बन बांड की विषम दरार की वजह से बहुत किनारों पर अधिक है। इस बढ़त के प्रभाव को खत्म करने के लिए, यह ई लेने का फैसला किया गया था θ ई - एबी ऊर्जा में स्थानीय परिवर्तन का एक उपाय (के रूप में 4 सी )। इसलिए, विन्यास एबी में परमाणुओं वैश्विक न्यूनतम विन्यास में पहले से ही कर रहे हैं और ई है θ- ई एबी = 0, यानी शून्य बेमेल। बीए कॉन्फ़िगरेशन में परमाणु वैश्विक न्यूनतम कॉन्फ़िगरेशन में भी हैं। हालांकि, इन परमाणुओं अधिकतम बेमेल,, के रूप में परमाणु ऊर्जा में अधिकतम मतभेद इसका सबूत है, क्योंकि वे एबी (stacking दोष) की तुलना में विपरीत परमाणु ढेर है (ई θ - ई एबी = 13 एमईवी)।

नतीजतन, अपने गैर घूर्णन राज्य में ऊर्जा की तुलना में प्रत्येक परमाणु से अधिक संभावित ऊर्जा की भयावहता (| ई θ - ई एबी |) परमाणु बेमेल की डिग्री का एक मात्रात्मक उपाय है। इस निष्कर्ष से, हम श्रेणी के आधार पर परमाणुओं वर्गीकृत कर सकते हैं | ई θ - ई एबी | (4d ): एबी (0-2.2 meV); एए (2.2–3.7 meV और 10-11.5 meV); एसपी (3.7–10 meV) और BA (11.513 meV)।


छवि संख्या 5

ऊपर की छवियाँ 3 मिनट के लिए न्यूनतम संभावित ऊर्जा के मार्ग के साथ स्थानीय मिनिमा और काठी ऊर्जा स्तरों के अनुरूप रोटेशन कोणों पर ग्राफीन परत एल 4 एक्सएल 4 के परमाणुओं के बेमेल किनारों को दिखाती है । पूरी तरह से आवधिक मौआ पैटर्न ( 5 ए ) अब काठी बिंदुओं पर विकसित हो सकता है , क्योंकि गुच्छे एल का आकार मौय अवधि एल पी के साथ कम्यूटेट है । नतीजतन, इंटरफैसिअल स्लिप के लिए बाधा ऊर्जा बहुत कम हो जाती है, क्योंकि आवधिक ज्यामिति में परमाणुओं के विन्यास सब्सट्रेट के सापेक्ष ग्राफीन फ्लेक की अनुवादकीय गति से स्वतंत्र होते हैं।

इसके विपरीत, स्थानीय मिनिमा के अनुरूप रोटेशन कोणों पर, ऊर्जा एल और एलपी अनुपातहीन हो जाते हैं और एए ( 5 बी ) के बजाय एबी के गठन में योगदान करते हुए, कुल संभावित ऊर्जा को कम करते हैं इस प्रकार, इस ऊर्जा-कम से कम विन्यास से छोटी जाली शिफ्टिंग से किनारों पर अपूर्ण अपूर्ण अवधि के लिए स्टैकिंग अनुक्रम में बड़े बदलाव हो सकते हैं, जिससे रोटेशन और इंटरैसेपियल स्लिप दोनों के लिए उच्च अवरोध ऊर्जा पैदा होगी।

अध्ययन की बारीकियों के साथ एक अधिक विस्तृत परिचित के लिए, मैं सुझाव देता हूं कि आप वैज्ञानिकों की रिपोर्ट देखें

उपसंहार


इस अध्ययन का मुख्य निष्कर्ष यह है कि मौए पैटर्न के ट्रिमिंग के परिणामस्वरूप होने वाले अंतिम किनारों का प्रभाव मुड़ दो-आयामी सामग्रियों के रोटेशन प्रतिरोध को नियंत्रित करता है। विशेष रूप से, दो-परत सामग्री के अनइंडिंग के दौरान मूर की बदलती आवधिकता परमाणुओं के विन्यास में स्थानिक रूप से बदलती डिग्री के कारण संभावित ऊर्जा के कई अवरोध पैदा करती है। ये सीमा प्रभाव ऐसे संरचनाओं के घूर्णी संक्रमणों के साथ-साथ उपयोग किए गए संरचनाओं के आकार और तापमान पर ऐसे संक्रमणों की निर्भरता के अंतर्निहित तंत्र की व्याख्या करते हैं।

लब्बोलुआब यह है कि घुमाए गए ग्राफीन हमेशा अपनी मूल स्थिति में लौटने का प्रयास करते हैं, क्योंकि इसके लिए यह सबसे स्थिर स्थिति और परमाणुओं की स्थिति है। हालांकि, कुछ शर्तों के तहत, संरचना के रोटेशन की उपस्थिति में भी स्थिरता बनाए रखी जाती है। इस स्थिरता की उपस्थिति का मुख्य कारक रोटेशन कोण है, साथ ही साथ विभिन्न तापमान हैं, जो ग्राफीन संरचना को एक स्थिर राज्य से दूसरे में संक्रमण करने की अनुमति देता है।

बाइलियर ग्राफीन में, इसकी संरचना बनाने वाली परतें कसकर एक दूसरे से बंधी नहीं होती हैं। शोधकर्ताओं के अनुसार, यह सुविधा आपको परिस्थितियों के आधार पर संरचना के गुणों की व्याख्या करने की अनुमति देती है। कुछ शर्तों का चयन करके, आप एक ही संरचना प्राप्त कर सकते हैं, लेकिन विभिन्न गुणों के साथ। इसलिए, इस तरह की संरचना के अनुप्रयोगों की सीमा को मौलिक रूप से बदलने की आवश्यकता के बिना फैलता है।

आपका ध्यान के लिए धन्यवाद, जिज्ञासु बने रहें और हर किसी के लिए एक शानदार सप्ताहांत हो, दोस्तों! :)

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