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《电子科技大学》 2008年
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GaN和SiC一维纳米结构物性的原子尺度模拟

王治国  
【摘要】: 低维纳米结构是当前纳米科学与技术领域的一个重要研究方向。它不仅对理解基本的物理现象具有重要意义,而且作为功能模块在构建纳米器件方面具有极大的应用潜力。本文采用经典分子动力学、第一性原理及第一性原理分子动力学方法研究了宽禁带半导体GaN和SiC一维纳米结构的热学、力学及电子能级等基本物理性质。 1、利用经典分子动力学方法对单晶GaN纳米管和纳米线的热稳定性、导热特性和力学性能进行了模拟。原子间的相互作用势采用Stillinger-Weber势描述。结果表明: 纳米线和纳米管的熔点随着其尺寸(纳米线的直径、纳米管的壁厚)的增加而升高,当尺寸增加到某一值后熔点达到饱和值,且接近体相的熔点。纳米线、管在完全熔化前存在一个过渡区,在这一温区,液相与固相同时存在。对于截面为三角形的[1-10]和[110]晶向的纳米线,熔化过程首先从角部原子开始,然后表面开始熔化,并逐步向内部发展,最后导致纳米线整体熔化。对于[001]晶向的纳米线和纳米管,熔化从表面开始,然后向内部扩展。 纳米线和纳米管的导热系数低于体相材料;导热系数表现出显著的尺寸效应,当纳米线和纳米管的尺寸减小时,导热系数减小;且导热系数随温度的升高而下降。 轴向拉伸时,GaN纳米管在低温时表现出脆性断裂特征,高温时表现出韧性断裂特征;韧脆转变温度随着纳米管厚度的增加而升高。晶向对纳米线的断裂行为有很大的影响,[001]晶向的纳米线随着温度的升高表现由脆性断裂到韧性断裂的转变;[1-10]晶向纳米线以脆性方式断裂;而[110]晶向纳米线以沿{010}晶面滑移的方式断裂。轴向压缩时,屈曲时临界应力值随着纳米线、纳米管长度的增加而减小,和Euler理论预测的趋势一致。 2、利用经典分子动力学方法对[111]晶向生长的单晶β-SiC纳米线和纳米管在轴向拉伸、轴向压缩与扭转等简单载荷,及轴向拉伸-扭转及轴向压缩-扭转复合载荷作用下的纳米力学行为进行了模拟。原子间作用势采用Tersoff经验势描述。结果表明: 轴向拉伸时纳米线和纳米管以垂直于{111}晶面键断裂方式断裂,表现出脆性断裂的特征:轴向压缩时存在两种失稳模式,对于较长的纳米线(管),结构首先发生整体失稳,此时截面仍保持原来的形状,而对于较短的纳米线(管),首先发生局部的塌陷;扭转时纳米线(管)主要以原子键发生断裂和重组的形式产生屈曲。复合载荷作用下,纳米线(管)的临界应变值随着扭转速率的增加而减小,这是因为扭转引起体系能量的升高,从而降低了其拉伸和压缩失稳所需要的能垒。 3、利用第一性原理方法研究了轴向应变对单壁SiC纳米管几何结构和电子结构的影响。发现纳米管的能隙可以通过施加应变在很大范围内调制,能隙随着拉伸应变的增加而减小,随着压缩应变的增加先增加而后减小,这样可以考虑通过施加应变达到改变SiC纳米管电学性能的目的,在量子阱中具有潜在的应用前景。 4、利用第一性原理分子动力学研究了单壁SiC纳米管的移位阈能及辐照初期缺陷的产生过程。纳米管的尺寸及反冲能量的方向对SiC纳米管中原子移位阈能均有很大的影响。移位阈能随着纳米管直径的增加而增加。辐照后在纳米管中主要形成三种缺陷,一类是原子离位后成为吸附原子或自由原子;二是形成Stone-Wales(SW)缺陷;三是形成反位缺陷。
【学位授予单位】:电子科技大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2008
【分类号】:TB383.1

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