碲锌镉单晶纳米压/划痕的分子动力学模拟

摘要

碲锌镉(CdZnTe，CZT)晶体是重要的第三代软脆半导体材料，具有优异的光电性能，由其制成的室温核辐射探测器在空间探测、环境监测及医学等领域得到广泛应用。同时，因其能与不同波段的碲镉汞晶格常数精确匹配，故也常作为红外探测器碲镉汞的最佳外延衬底材料。
　　碲锌镉属软脆晶体，是一种难加工材料。传统的游离磨料研磨、化学腐蚀等方法会使材料表面出现游离磨料嵌入、腐蚀沟等缺陷，而超精密磨削方法则可以避免此类问题。在纳米尺度范围进行超精密加工的机理研究非常困难，而超精密磨削过程可看作是多个磨粒压入和划擦材料表面的过程，因此采用分子动力学模拟的方法研究纳米压痕/划痕的机理是尤为必要的。国际上鲜有CZT分子动力学的报道，其分子动力学模拟有一定的难度，本文采用自行开发的程序进行了CZT纳米压痕/划痕的分子动力学仿真和CZT纳米划痕实验的研究工作。
　　CZT的表面能、禁带宽度等物理性能在国际上鲜有文献报道，而这些参数在研究其力学性能和超精密加工机理中有很重要的作用。本文使用计算机模拟手段从理论上预测了Ⅱ-Ⅵ族三元化合物半导体Cd0.96Zn0.04Te单晶晶体的表面能435.08 mJ/m2、孪晶晶体表面能381.8 mJ/m2以及禁带宽度为1.74 eV。
　　为研究循环加载条件下的准静态加载纳米压痕的裂纹形成和变形机理，建立了不同结构的CZT单晶和纳米孪晶结构模型进行纳米压痕分子动力学仿真模拟。模拟中发现单晶mc-36.9和模型nt-5.6-17.9-5.6在第二次循环加载过程当中均有裂纹产生，而对于nt-5.6-17.9-7.8-5.6模型则在经历了10次循环加载后仍无裂纹产生，这归因于三层孪晶片之间的协同作用。由Griffith理论和分子动力学模拟计算得到了在循环加载过程中的临界裂纹应力值，并进一步分析了裂纹的产生和变形机理，得出单晶mc-36.9 CZT模型由于位错传递阻塞和缠结作用比原单晶具有更好抵抗变形能力的结论。
　　首次进行了CZT单晶体纳米划痕实验的仿真模拟，模拟结果显示CZT显现出良好的纳米可加工性，划痕仿真结果显示，刚体压头和基体形成的犁沟划痕材料堆积主要分布在压头前端，随着刻划长度的增加，原子堆积越严重。为了验证分子动力学的仿真结果，进行了碲锌镉单晶体的纳米划痕实验，实验中测得的摩擦系数为0.45左右，这和模拟结果完全吻合。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题来源、研究背景及意义

1．1．1 课题来源

1．1．2 课题的研究背景及意义

1．2 碲锌镉晶体材料的国内外研究现状

1．2．1 CZT晶体材料的基本性质

1．2．2 CZT晶体材料的国内外研究现状

1．3 论文主要研究内容

2 计算机模拟理论基础

2．1 计算机模拟概况

2．2 分子动力学基本理论

2．2．1 分子动力学的基本原理

2．2．3 原子位置的数值解法

2．2．2 势函数

2．2．4 边界条件

2．2．5 系宗的选择

2．2．6 时间步长的选择

2．3 第一性原理基本理论简介

2．4 CZT相关物理性质的计算

2．4．1 CZT禁带宽度的第一性原理计算

2．4．2 CZT表面能的分子动力学模拟计算

2．5 本章小结

3 CZT循环加载条件下变形和裂纹机理的分子动力学模拟

3．1 裂纹的种类和Griffith微裂纹理论

3．1．1 裂纹的种类

3．1．2 Grffith微裂纹理论

3．2 CZT纳米压痕仿真模型的建立

3．3 CZT纳米压痕仿真条件

3．3．1 仿真条件

3．3．2 弛豫过程

3．4 CZT纳米压痕仿真过程及结果分析

3．4．1 循环加载条件下纳米压痕仿真过程

3．4．2 载荷-位移曲线分析

3．4．3 循环加载条件下变形和裂纹机理分析

3．5 本章小结

4 碲锌镉纳米划痕实验的分子动力学模拟

4．1 CZT单晶体纳米划痕分子动力学仿真

4．1．1 模型建立及仿真条件

4．1．2 滑动过程中材料表层变性分析

4．1．3 刻划载荷对纳米划痕的影响分析

4．1．4 滑动速度对摩擦力的影响分析

4．2 CZT纳米孪晶划痕分子动力学仿真模拟

4．2．1 模型建立殛仿真条件

4．2．2 仿真结果和分析

4．3 本章小结

5 碲锌镉纳米划痕实验研究

5．1 纳米划痕测试技术原理及应用

5．2 实验条件及方法

5．3 实验结果分析

5．3．1 划痕载荷对纳米划痕的影响

5．3．2 划痕速度对纳米划痕的影响

5．3．3 划痕后patten表面力学性能分析

5．4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢