GaN和SiC一維納米結構物性的原子尺度模擬.pdf

1、低維納米結構是當前納米科學與技術領域的一個重要研究方向。它不僅對理解基本的物理現(xiàn)象具有重要意義，而且作為功能模塊在構建納米器件方面具有極大的應用潛力。本文采用經(jīng)典分子動力學、第一性原理及第一性原理分子動力學方法研究了寬禁帶半導體GaN和SiC一維納米結構的熱學、力學及電子能級等基本物理性質。 1、利用經(jīng)典分子動力學方法對單晶GaN納米管和納米線的熱穩(wěn)定性、導熱特性和力學性能進行了模擬。原子間的相互作用勢采用Stillinger-

2、Weber勢描述。結果表明： 納米線和納米管的熔點隨著其尺寸(納米線的直徑、納米管的壁厚)的增加而升高，當尺寸增加到某一值后熔點達到飽和值，且接近體相的熔點。納米線、管在完全熔化前存在一個過渡區(qū)，在這一溫區(qū)，液相與固相同時存在。對于截面為三角形的[1-10]和[110]晶向的納米線，熔化過程首先從角部原子開始，然后表面開始熔化，并逐步向內部發(fā)展，最后導致納米線整體熔化。對于[001]晶向的納米線和納米管，熔化從表面開始，然后向內

3、部擴展。 納米線和納米管的導熱系數(shù)低于體相材料；導熱系數(shù)表現(xiàn)出顯著的尺寸效應，當納米線和納米管的尺寸減小時，導熱系數(shù)減小；且導熱系數(shù)隨溫度的升高而下降。 軸向拉伸時，GaN納米管在低溫時表現(xiàn)出脆性斷裂特征，高溫時表現(xiàn)出韌性斷裂特征；韌脆轉變溫度隨著納米管厚度的增加而升高。晶向對納米線的斷裂行為有很大的影響，[001]晶向的納米線隨著溫度的升高表現(xiàn)由脆性斷裂到韌性斷裂的轉變；[1-10]晶向納米線以脆性方式斷裂；而[110

4、]晶向納米線以沿{010}晶面滑移的方式斷裂。軸向壓縮時，屈曲時臨界應力值隨著納米線、納米管長度的增加而減小，和Euler理論預測的趨勢一致。 2、利用經(jīng)典分子動力學方法對[111]晶向生長的單晶β-SiC納米線和納米管在軸向拉伸、軸向壓縮與扭轉等簡單載荷，及軸向拉伸-扭轉及軸向壓縮-扭轉復合載荷作用下的納米力學行為進行了模擬。原子間作用勢采用Tersoff經(jīng)驗勢描述。結果表明： 軸向拉伸時納米線和納米管以垂直于{111

5、}晶面鍵斷裂方式斷裂，表現(xiàn)出脆性斷裂的特征；軸向壓縮時存在兩種失穩(wěn)模式，對于較長的納米線(管)，結構首先發(fā)生整體失穩(wěn)，此時截面仍保持原來的形狀，而對于較短的納米線(管)，首先發(fā)生局部的塌陷；扭轉時納米線(管)主要以原子鍵發(fā)生斷裂和重組的形式產(chǎn)生屈曲。復合載荷作用下，納米線(管)的臨界應變值隨著扭轉速率的增加而減小，這是因為扭轉引起體系能量的升高，從而降低了其拉伸和壓縮失穩(wěn)所需要的能壘。 3、利用第一性原理方法研究了軸向應變對單壁

6、SiC納米管幾何結構和電子結構的影響。發(fā)現(xiàn)納米管的能隙可以通過施加應變在很大范圍內調制，能隙隨著拉伸應變的增加而減小，隨著壓縮應變的增加先增加而后減小，這樣可以考慮通過施加應變達到改變SiC納米管電學性能的目的，在量子阱中具有潛在的應用前景。 4、利用第一性原理分子動力學研究了單壁SiC納米管的移位閾能及輻照初期缺陷的產(chǎn)生過程。納米管的尺寸及反沖能量的方向對SiC納米管中原子移位閾能均有很大的影響。移位閾能隨著納米管直徑的增加而