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硅团簇结构硅团簇结构、形变以及相应力学特性的分子动力学模拟

杜雄杰  
【摘要】: 团簇是由几个至上千个原子、分子或离子组成的相对稳定的聚集体,由于其独特的性质而备受重视。团簇结构的研究是团簇其它一切特性研究的基础。在块体研究中,人们已经制成了很多具有非基态结构的块体材料,这些材料往往具有较传统材料更为优异的性能。对于团簇研究而言,人们目前都是把目光集中在具有基态结构的团簇上,但事实上,团簇还有很多非基态结构,有些非基态结构也是非常稳定的。硅材料是电子产业的基石,所以对硅团簇稳态结构的研究具有重要的科学意义和应用价值。 本文用分子动力学的方法,采用Stillinger-Weber势函数,采取不同的初始模型和不同温度条件,获取硅团簇Si n(n=4-35)的稳态结构。我们发现所形成的团簇稳态结构对初始结构和温度非常敏感,初始结构不同、温度不同,得到的硅团簇具有不同的几何构型。一般,原子数目少时所形成的团簇结构较规则,有较好的对称性,并且原子只分布在团簇表面。可以看出原子数大时的团簇,是由原子数目小的团簇拼凑而成的,并且出现了内部原子。形成硅团簇表面的原子多构成空间五边形结构。文章还采用Tersoff势函数,用硅原子替换富勒烯C6 0中碳原子的方法获取了Si 60的结构。 另外,随着纳米机械的发明以及发展,对各个机械部件的力学行为的研究就变得非常迫切。团簇是纳米机械系统最重要的候选部件之一,本文以Si 13团簇为例,对其稳定结构进行了拉伸和压缩的分子动力学模拟,得出了硅团簇拉伸和压缩的力与应变的曲线图。研究表明,在拉伸和压缩的初始阶段力与应变呈线性关系。拉伸时温度越高受力越大,压缩时正好相反,温度越高受力越小,而且同等应变下拉伸时的力明显高于压缩时的力;当拉伸应变达到承载极限,继续拉伸,力突然变的很小,这是因为团簇发生了结构变化。随后接着拉伸,力与应变又呈现出与初始阶段相同的线性关系。


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