GaN和SiC一維納米結(jié)構(gòu)物性的原子尺度模擬.pdf

1、低維納米結(jié)構(gòu)是當(dāng)前納米科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域的一個(gè)重要研究方向。它不僅對(duì)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(gòu)建納米器件方面具有極大的應(yīng)用潛力。本文采用經(jīng)典分子動(dòng)力學(xué)、第一性原理及第一性原理分子動(dòng)力學(xué)方法研究了寬禁帶半導(dǎo)體GaN和SiC一維納米結(jié)構(gòu)的熱學(xué)、力學(xué)及電子能級(jí)等基本物理性質(zhì)。 1、利用經(jīng)典分子動(dòng)力學(xué)方法對(duì)單晶GaN納米管和納米線的熱穩(wěn)定性、導(dǎo)熱特性和力學(xué)性能進(jìn)行了模擬。原子間的相互作用勢(shì)采用Stillinger-

2、Weber勢(shì)描述。結(jié)果表明： 納米線和納米管的熔點(diǎn)隨著其尺寸(納米線的直徑、納米管的壁厚)的增加而升高，當(dāng)尺寸增加到某一值后熔點(diǎn)達(dá)到飽和值，且接近體相的熔點(diǎn)。納米線、管在完全熔化前存在一個(gè)過渡區(qū)，在這一溫區(qū)，液相與固相同時(shí)存在。對(duì)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(nèi)部發(fā)展，最后導(dǎo)致納米線整體熔化。對(duì)于[001]晶向的納米線和納米管，熔化從表面開始，然后向內(nèi)

3、部擴(kuò)展。 納米線和納米管的導(dǎo)熱系數(shù)低于體相材料；導(dǎo)熱系數(shù)表現(xiàn)出顯著的尺寸效應(yīng)，當(dāng)納米線和納米管的尺寸減小時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)減?。磺覍?dǎo)熱系數(shù)隨溫度的升高而下降。 軸向拉伸時(shí)，GaN納米管在低溫時(shí)表現(xiàn)出脆性斷裂特征，高溫時(shí)表現(xiàn)出韌性斷裂特征；韌脆轉(zhuǎn)變溫度隨著納米管厚度的增加而升高。晶向?qū){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(zhuǎn)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(shí)，屈曲時(shí)臨界應(yīng)力值隨著納米線、納米管長(zhǎng)度的增加而減小，和Euler理論預(yù)測(cè)的趨勢(shì)一致。 2、利用經(jīng)典分子動(dòng)力學(xué)方法對(duì)[111]晶向生長(zhǎng)的單晶β-SiC納米線和納米管在軸向拉伸、軸向壓縮與扭轉(zhuǎn)等簡(jiǎn)單載荷，及軸向拉伸-扭轉(zhuǎn)及軸向壓縮-扭轉(zhuǎn)復(fù)合載荷作用下的納米力學(xué)行為進(jìn)行了模擬。原子間作用勢(shì)采用Tersoff經(jīng)驗(yàn)勢(shì)描述。結(jié)果表明： 軸向拉伸時(shí)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(shí)存在兩種失穩(wěn)模式，對(duì)于較長(zhǎng)的納米線(管)，結(jié)構(gòu)首先發(fā)生整體失穩(wěn)，此時(shí)截面仍保持原來的形狀，而對(duì)于較短的納米線(管)，首先發(fā)生局部的塌陷；扭轉(zhuǎn)時(shí)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(fù)合載荷作用下，納米線(管)的臨界應(yīng)變值隨著扭轉(zhuǎn)速率的增加而減小，這是因?yàn)榕まD(zhuǎn)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(yīng)變對(duì)單壁

6、SiC納米管幾何結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)的影響。發(fā)現(xiàn)納米管的能隙可以通過施加應(yīng)變?cè)诤艽蠓秶鷥?nèi)調(diào)制，能隙隨著拉伸應(yīng)變的增加而減小，隨著壓縮應(yīng)變的增加先增加而后減小，這樣可以考慮通過施加應(yīng)變達(dá)到改變SiC納米管電學(xué)性能的目的，在量子阱中具有潛在的應(yīng)用前景。 4、利用第一性原理分子動(dòng)力學(xué)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?qū)iC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