Ge\SiO2纳米颗粒镶嵌薄膜力学性能及单轴拉伸行为的模拟研究

摘要

Ge\SiO2纳米颗粒镶嵌薄膜作为硅基发光材料的一种，在光纤波导、纳米器件中以及光电集成电路有着十分重要的应用。时至今日，已经有很多科研人员在硅基片上制备出了Ge、Si纳米颗粒镶嵌薄膜，研究了它们的结构性质和生长过程，对其发光机理和电学性能进行了比较多的研究，但是，关于纳米颗粒镶嵌薄膜的力学性能方面的研究却非常少。力学性能是衡量纳米颗粒镶嵌薄膜质量的主要指标，同时也是进行纳米器件设计与计算的重要依据，纳米薄膜的损伤和变形将影响到器件的性能、稳定性以及使用寿命。因此，对纳米颗粒镶嵌功能薄膜的力学性能和力学行为进行研究，具有重要意义。本文利用Materials Studio软件下的Forcite模块对Ge\SiO2纳米颗粒镶嵌薄膜的力学性能和单轴拉伸行为进行分子动力学模拟研究，具体的研究内容如下：
　　1.建立SiO2和SiO2基体镶嵌纳米Ge晶粒的晶胞和超晶胞模型，利用剪切技术和设立真空层的方法，得到SiO2基体纳米薄膜和SiO2基体镶嵌纳米Ge晶粒的纳米薄膜模型。
　　2.模拟研究SiO2基体镶嵌纳米Ge晶粒前后的力学性能（杨氏模量、体积模量、剪切模量、泊松比、拉梅常数）变化；探讨镶嵌Ge3晶粒、Ge5晶粒及Ge9晶粒后,晶粒尺寸大小对其力学性能的影响。
　　3.模拟不同厚度Ge\SiO2纳米颗粒镶嵌薄膜的力学性能，研究厚度对单轴拉伸强度的影响。
　　4.对不同温度、不同应变率下Ge\SiO2纳米颗粒镶嵌薄膜的单轴拉伸行为和力学性能（应力应变关系、屈服强度等）进行分子动力学模拟研究。
　　5.建立含O原子空位缺陷的Ge\SiO2薄膜模型，模拟研究含有O原子空位缺陷对其力学性能的影响。

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第1章 绪论

1.1 课题背景及研究意义

1.2 纳米颗粒镶嵌功能薄膜的概述

1.3 纳米颗粒功能薄膜研究现状

1.4本论文的研究内容

第2章 分子动力学模拟方法简介

2.1分子动力学概述

2.2分子动力学模拟的基本步骤

2.3 分子动力学中力学性质的计算原理

2.4 Materials Studio软件介绍、建模方法及模拟过程

第3章 Ge\SiO2纳米颗粒镶嵌功能薄膜力学性能的模拟

3.1 基体Si O2纳米薄膜力学性能的模拟

3.2 纳米Ge单晶胞的力学性能模拟

3.3 镶嵌Ge3晶粒的Ge\SiO2纳米薄膜力学性能的模拟

3.4 镶嵌Ge5晶粒的Ge\SiO2纳米薄膜力学性能的模拟

3.5 镶嵌Ge9晶粒的Ge\SiO2纳米薄膜模型

3.6 力学性能模拟结果分析

3.7 厚度对力学性能的影响

3.8本章小结

第4章 含O原子空位缺陷的Ge\SiO2纳米颗粒镶嵌薄膜力学性能模拟

4.1建立含O原子空位缺陷的Ge\SiO2纳米颗粒镶嵌薄膜模型

4.2含O原子空位缺陷的Ge\SiO2纳米颗粒镶嵌薄膜结构优化

4.3含O原子空位缺陷的Ge\SiO2纳米颗粒镶嵌薄膜力学性质计算

4.4 力学性能模拟结果分析

4.5本章小结

第5章 厚度对纳米颗粒镶嵌薄膜拉伸屈服强度的影响

5.1 建立不同厚度尺寸的Ge\SiO2薄膜模型

5.2单轴拉伸模拟方法

5.3 计算结果

5.4 计算结果讨论

5.5 本章小结

第6章 温度和应变率对纳米薄膜拉伸力学行为与性能的影响

6.1建立厚度4.296nm的Ge5结构纳米薄膜模型

6.2不同温度纳米薄膜的拉伸力学性能模拟

6.3 不同应变率下纳米薄膜的拉伸模拟

6.4本章小结

第7章 总结与展望

7.1 全文总结

7.2 进一步研究展望

参考文献

致谢