表面效应对压电纳米线力电性能及行为的影响

摘要

表面效应作为小尺度效应的一种，对纳米材料的材料性能和力学行为有着十分重要的影响，而压电纳米线（如氧化锌）因为其优异的性能受到广泛关注。因此，研究表面效应对压电纳米线力学行为的影响，有着十分重要的意义。研究内容如下:
　　最近分子动力学模拟(MDS)结果表明，氧化锌(ZnO)纳米线的杨氏模量沿径向非均匀分布。基于这一发现，可以验证心-壳(core-shell)模型的准确性，以及更准确地研究表面效应对ZnO纳米线杨氏模量和电压的影响。为此，本文建立了能够反映杨氏模量实际分布的layer-wise(LW)模型，并且利用该模型就算纳米线的杨氏模量和电压。通过把基于LW模型得到的有限元结果与C-S模型以及经典模型相比较，发现C-S模型并不能正确反映杨氏模量的分布情况，但是因为多余能量（由表面效应导致）与纳米线直径成线性关系，所以C-S模型能够较准确地预测纳米线的拉伸杨氏模量。与拉伸杨氏模量相比，弯曲杨氏模量对于杨氏模量的改变更加敏感，对于直径小于10nm的薄纳米线，C-S模型将导致较大的误差。而当直径大于10nm时，C-S模型能够较准确地表征纳米线的弯曲杨氏模量。另外，本文还发现表面效应对电压有很大的影响，这主要是压电性能的改变导致的。
　　本文第二个主要工作是基于哈密尔顿原理，通过考虑表面效应产生的心部残余应力，局部几何非线性和矩形纳米线全部四个表面的影响，得到压电纳米线的新振动方程。利用该方程研究了上述因素对压电纳米线振动的影响。在电压的作用下得到纳米线的振动频率，并与杨-拉普拉斯模型（不考虑纳米线心部残余应力，侧表面的表面效应及非线性应变分布）进行比较，发现心部残余应力抵消了表面残余应力的影响，从而使频率降低或改变频率的尺寸依赖性。同时，本文还发现非线性应变通过改变纳米线的弯曲刚度，对其压电性能产生直接影响。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 纳米线简介

1．1．1 半导体(压电)纳米线分子结构

1．1．2 纳米线的主要性能

1．1．3 纳米线的主要应用

1．1．4 研究纳米线力学行为的重要性

1．2 国内外纳米线力学行为研究现状

1．2．1 表面效应

1．2．2 C-S模型介绍

1．2．3 近期模拟研究的结果及问题的提出

1．3 本文研究的主要内容

第二章 有限元仿真分析及连续力学模型

2．1 有限元计算方法介绍

2．2 COMSOL Multiphysics软件介绍

2．2．1 COMSOL Multiphysics特点

2．2．2 COMSOL Multiphysics分析步骤

2．3 纳米线有限元模型

2．3．1 简化模型

2．3．2 几何模型的建立

2．3．3 材料参数的设置

2．3．4 物理场的选择

2．3．5 载荷和边界条件的处理

2．3．6 网格划分

2．3．7 求解类型和求解器的选择

2．4 纳米线梁模型

2．5 本章小结

第三章 研究结果及讨论

3．1 表面效应对杨氏模量的影响

3．1．1 力学模型介绍

3．1．2 有限元仿真力学实验

3．1．3 表面效应对拉伸杨氏模量的影响

3．1．4 表面效应对弯曲杨氏模量的影响

3．2 表面效应对ZnO纳米线输出电压的影响

3．2．1 有限元仿真压电实验

3．2．2 表面效应对电压的影响

3．3 电压对ZnO纳米线固有频率的影响

3．3．1 有限元仿真固有频率实验

3．3．2 电压对频率的影响

3．4 心部残余应力和非线性应变对频率的影响

3．4．1 压电纳米梁振动方程

3．4．2 局部几何非线性对频率的影响

3．4．3 残余应力对频率的影响

3．4．4 表面压电性能对频率的影响

3．5 本章小结

第四章 总结与展望

4．1 总结

4．2 研究展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表的主要论文