硅納米材料的力學(xué)和熱學(xué)性能的分子模擬.pdf

1、硅納米材料因其與傳統(tǒng)的硅技術(shù)之間具有極好的兼容性，在將來的納米電子器件和光電子器件中具有極大的應(yīng)用潛力，因而備受科學(xué)家們的關(guān)注。硅納米材料具有特異的電學(xué)、光學(xué)和力學(xué)性質(zhì)，硅納米線可作為鋰電池的陽極，也可制成納米傳感器、場效應(yīng)管和光電探測器等納米器件。發(fā)展新型納米材料與納米器件是納米科技的重要組成部分和目標(biāo)，而研究納米材料的力學(xué)性能和力學(xué)行為是發(fā)展納米材料與器件必須解決的主要問題之一。所以本文采用分子模擬方法從原子尺度對(duì)硅納米材料的力學(xué)和

2、熱學(xué)性能進(jìn)行了研究，對(duì)人們進(jìn)一步認(rèn)識(shí)硅納米材料的物理屬性具有重要的參考價(jià)值。
　　首先采用分子動(dòng)力學(xué)方法研究了單晶硅納米線的軸向壓縮屈曲行為。納米線軸向方向?yàn)閇100]、[110]、[111]和[112]晶格方向，與實(shí)驗(yàn)合成的納米線相同。模擬了溫度、應(yīng)變率和納米線長度對(duì)納米線屈曲行為的影響，研究結(jié)果表明臨界軸向力隨著溫度的升高而降低，隨著應(yīng)變率的增加而線性增大；同時(shí)，結(jié)果表明臨界軸向力隨著長度的增加而降低，這與歐拉公式一致。

3、>　　其后，運(yùn)用分子動(dòng)力學(xué)方法研究了單晶硅納米線的軸向拉伸和熔化性能。研究了不同橫截面形狀的單晶硅納米線的軸向拉伸過程，分析了納米線的變形機(jī)制；同納米線軸向壓縮性能相同，納米線的軸向拉伸性能受溫度和應(yīng)變率影響較大；同時(shí)研究了單晶硅納米線的包辛格效應(yīng)，隨著預(yù)應(yīng)變的增加，反向臨界應(yīng)力降低，包辛格效應(yīng)增強(qiáng)；納米線熔化研究表明隨著納米線直徑和長度的減小，納米線表面能增加，納米線的熔化溫度降低；單晶硅納米線的熔化熱要比單晶硅晶體的熔化熱低，隨著單

4、晶硅納米線直徑和長度的增大而增加；同時(shí)研究了單晶硅納米線的熔化過程。
　　接著本文運(yùn)用分子動(dòng)力學(xué)方法研究了單晶/無定形硅核殼納米線的力學(xué)性能。當(dāng)在軸向拉伸和壓縮載荷作用時(shí)，單晶/無定形硅核殼納米線的楊氏模量隨著單晶硅核半徑的增加而增大，隨著無定形硅殼的厚度的增加而減少，但是臨界應(yīng)變不受單晶硅核半徑和無定形硅殼厚度的影響。當(dāng)在扭轉(zhuǎn)和彎曲載荷作用時(shí)，單晶/無定形硅核殼納米線扭轉(zhuǎn)剛度和彎曲剛度都隨著無定形硅殼的厚度的增加而增大，隨著單晶

5、硅核的半徑的增加而增大，同時(shí)，臨界扭轉(zhuǎn)角隨著無定形硅殼的厚度和單晶硅核半徑的增加而迅速降低，然而臨界彎曲角度并不依賴于納米線的單晶硅核半徑和無定形硅殼厚度。這些研究結(jié)果表明無定形硅殼對(duì)單晶/無定形硅核殼納米線在外部載荷作用下的力學(xué)性能有著重要的影響。
　　最后，本文對(duì)單晶硅體和石墨烯的楊氏模量采用第一性原理和Stillinger-Weber、Tersoff以及MEAM進(jìn)行了計(jì)算。結(jié)果表明：1992年MEAM勢函數(shù)和2005年Ter

6、soff勢函數(shù)可以較準(zhǔn)確的描述單晶硅體的力學(xué)性能，REBO勢函數(shù)可以較準(zhǔn)確地描述石墨烯的力學(xué)性能；采用較準(zhǔn)確的勢函數(shù)研究了硅納米薄膜、硅納米薄膜/石墨烯和石墨烯/硅納米薄膜/石墨烯復(fù)合材料的力學(xué)性能，結(jié)果表明石墨烯可以增強(qiáng)硅納米薄膜的力學(xué)性能，但隨著薄膜厚度的增加，增強(qiáng)效果減弱；同時(shí)給出了硅納米薄膜/石墨烯復(fù)合材料的拉伸破壞過程。同樣通過對(duì)單晶硅體和石墨烯的熱傳導(dǎo)率的計(jì)算，發(fā)現(xiàn)1992年的MEAM勢函數(shù)和2010年的Tersoff勢函數(shù)