氮化硼薄膜剪切性质的分子动力学模拟

摘要

自从2010年诺贝尔物理学奖授予了英国曼彻斯特大学的两个发现石墨烯的教授之后，石墨烯便受到了广泛的关注。纳米材料的研究热点迅速从一维纳米材料转向二维纳米材料。作为最薄的二维材料，氮化硼薄膜有着非常出色的电磁学性质和力学性质。很多需要二维薄膜应用的场合都可以用到氮化硼薄膜。氮化硼薄膜可以提高和促进现在的一些基于石墨烯的纳机电系统的性能。
　　本文围绕氮化硼薄膜在剪切作用下的力学行为和褶皱特征，运用了分子动力学和连续介质力学方法去研究二维薄膜的力学特征。本文主要研究了薄膜尺寸和环境温度对薄膜剪切模量、破坏应力、破坏应变、褶皱高度、褶皱波长的影响。
　　在分子动力学模拟中，采用Tersoff多体势描述氮化硼薄膜内原子间的化学键作用。首先模拟了氮化硼薄膜的拉伸过程，得到了和别人一致的结果，验证了我们模型的正确性。而后，通过分子动力学模拟剪切过程。通过分子动力学模拟得出了随着尺寸和温度的增加，薄膜的剪切模量会下降，破坏应变和破坏应力也会一直下降。并且力学特征量对于温度更加敏感。薄膜的剪切模量随着尺寸的增加发生下降，但是最后会趋于一个有限值。
　　综合了连续介质理论和分子动力学两种方法来研究褶皱特征。研究表明连续介质方法过高的估计了褶皱的高度。分子动力学可以很准确的预测薄膜在剪切和拉伸作用下的力学性质。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 纳米力学

1．2 氮化硼薄膜的性质和前景

1．3 氮化硼薄膜的研究方法

1．4 本文的主要研究内容

2 分子动力学方法及其在氮化硼薄膜剪切性质中的应用

2．1 分子动力学方法的中心思想

2．2 近邻列表的概念

2．3 分子动力学中的温度和压强

2．4 原子间相互作用势函数

2．5 分子动力学模拟中的主要技术

2．5．1 牛顿运动方程

2．5．2 积分方法

2．5．3 调压技术

2．5．4 时间步长

2．5．5 能量最小化

2．5．6 边界条件

2．5．7 分子动力学方法的本质和改进

2．6 氮化硼的分子动力学建模

2．7 本章小结

3 氮化硼薄膜的剪切性质的分子动力学模拟

3．1 本文模型正确性的验证

3．2 氮化硼薄膜剪切的分子动力学模拟和剪切模量

3．3 氮化硼薄膜断裂的分子动力学研究

3．4 本章小结

4 氮化硼薄膜褶皱的连续介质力学分析和分子动力学模拟

4．1 褶皱的简介和连续介质分析理论

4．2 氮化硼薄膜褶皱的分子动力学结果和连续介质力学结果对比

4．3 本章小结

结论

参考文献

附录A 单位制

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢