基于分子动力学的硅纳米线拉伸模拟

论文摘要

硅纳米线具有非常好的半导体稳定性、电子传输特性和较低的场发射开启电压，在纳米器件中的应用潜力非常大。硅纳米线的实验研究受到实验设备的限制，因而计算机数值模拟成为研究纳米线材料物理与力学性能的重要方法。纳米线的计算机数值模拟常采用分子动力学方法，即利用经典力学原理对原子体系进行模拟。首先采用分子动力学研究了硅纳米线的力学性能，得到其应力-应变曲线，由应力-应变曲线可知，硅纳米线无明显的塑性流动，但在拉伸过程中会出现颈缩现象；研究了无缺陷和有缺陷的硅纳米线的力学性能，在硅纳米线具有缺陷时，其强度会大大减小，且断裂位置通常在缺陷处；研究了不同截面尺寸硅纳米线的力学性能，研究表明：当截面尺寸增大时，硅纳米线的最大应力和应变同时增大。然后研究了温度和应变率对硅纳米线力学性能的影响，研究表明：温度升高时硅纳米线的最大应力和应变会随着减小，当温度增大至1000K时，硅纳米线呈现出熔融状态，失去承载能力；同时，应变率越大，硅纳米线的最大应力和应变也越大。最后研究了缺陷长度和缺陷截面尺寸对硅纳米线力学性能的影响，当缺陷长度逐渐变大时，硅纳米线的最大应力和应变会先变小再慢慢变大；当缺陷截面尺寸增大时，硅纳米线的韧性会增强。本文采用分子动力学方法，分别研究了缺陷、硅纳米线截面尺寸和长度、温度和应变率等因素对硅纳米线拉伸力学性能的影响，得到了一些重要的结论，为硅纳米线在纳米器件中的应用提供了重要的依据和参考。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 纳米材料概述
• 1.2 纳米线概述
• 1.3 纳米线研究现状
• 1.3.1 实验研究方法介绍
• 1.3.2 计算机模拟研究现状
• 1.4 本文研究目的及内容
• 第2章 分子动力学理论概述
• 2.1 引言
• 2.2 分子动力学方程的描述
• 2.3 分子动力学方程的求解
• 2.3.1 初始条件和边界条件
• 2.3.2 分子动力学方程的算法及步长
• 2.4 分子动力学几个相关概念
• 2.4.1 势函数
• 2.4.2 系综、温度的控制和应力应变的计算
• 2.5 本章小结
• 第3章 硅纳米线的分子动力学拉伸模拟
• 3.1 硅纳米线的拉伸模拟
• 3.1.1 模型建立
• 3.1.2 计算结果及分析
• 3.2 缺陷对硅纳米线的影响
• 3.2.1 模型的建立
• 3.2.2 计算结果及分析
• 3.3 硅纳米线横截面尺寸的影响
• 3.3.1 模型的建立
• 3.3.2 拉伸模拟及分析
• 3.4 不同长度硅纳米线的模拟
• 3.5 本章小结
• 第4章 温度和应变率对硅纳米线性能的影响
• 4.1 温度对硅纳米线的影响
• 4.1.1 模型的建立
• 4.1.2 计算结果及分析
• 4.2 应变率的影响
• 4.2.1 模型的建立
• 4.2.2 计算结果及分析
• 4.3 本章小结
• 第5章 不同缺陷尺寸对硅纳米线力学性能的影响
• 5.1 纳米线缺陷长度及位置的影响
• 5.1.1 模型建立及计算
• 5.1.2 a 位置缺陷结果及分析
• 5.1.3 b 位置缺陷结果及分析
• 5.2 纳米线截面缺陷尺寸的影响
• 5.2.1 模型的建立
• 5.2.2 空心截面纳米线的拉伸分析
• 5.2.3 不同缺陷截面尺寸的影响
• 5.3 本章小结
• 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录