GaN和SiC一维纳米结构物性的原子尺度模拟

摘要

低维纳米结构是当前纳米科学与技术领域的一个重要研究方向。它不仅对理解基本的物理现象具有重要意义，而且作为功能模块在构建纳米器件方面具有极大的应用潜力。本文采用经典分子动力学、第一性原理及第一性原理分子动力学方法研究了宽禁带半导体GaN和SiC一维纳米结构的热学、力学及电子能级等基本物理性质。 1、利用经典分子动力学方法对单晶GaN纳米管和纳米线的热稳定性、导热特性和力学性能进行了模拟。原子间的相互作用势采用Stillinger-Weber势描述。结果表明： 纳米线和纳米管的熔点随着其尺寸(纳米线的直径、纳米管的壁厚)的增加而升高，当尺寸增加到某一值后熔点达到饱和值，且接近体相的熔点。纳米线、管在完全熔化前存在一个过渡区，在这一温区，液相与固相同时存在。对于截面为三角形的[1-10]和[110]晶向的纳米线，熔化过程首先从角部原子开始，然后表面开始熔化，并逐步向内部发展，最后导致纳米线整体熔化。对于[001]晶向的纳米线和纳米管，熔化从表面开始，然后向内部扩展。 纳米线和纳米管的导热系数低于体相材料；导热系数表现出显著的尺寸效应，当纳米线和纳米管的尺寸减小时，导热系数减小；且导热系数随温度的升高而下降。 轴向拉伸时，GaN纳米管在低温时表现出脆性断裂特征，高温时表现出韧性断裂特征；韧脆转变温度随着纳米管厚度的增加而升高。晶向对纳米线的断裂行为有很大的影响，[001]晶向的纳米线随着温度的升高表现由脆性断裂到韧性断裂的转变；[1-10]晶向纳米线以脆性方式断裂；而[110]晶向纳米线以沿{010}晶面滑移的方式断裂。轴向压缩时，屈曲时临界应力值随着纳米线、纳米管长度的增加而减小，和Euler理论预测的趋势一致。 2、利用经典分子动力学方法对[111]晶向生长的单晶β-SiC纳米线和纳米管在轴向拉伸、轴向压缩与扭转等简单载荷，及轴向拉伸-扭转及轴向压缩-扭转复合载荷作用下的纳米力学行为进行了模拟。原子间作用势采用Tersoff经验势描述。结果表明： 轴向拉伸时纳米线和纳米管以垂直于{111}晶面键断裂方式断裂，表现出脆性断裂的特征；轴向压缩时存在两种失稳模式，对于较长的纳米线(管)，结构首先发生整体失稳，此时截面仍保持原来的形状，而对于较短的纳米线(管)，首先发生局部的塌陷；扭转时纳米线(管)主要以原子键发生断裂和重组的形式产生屈曲。复合载荷作用下，纳米线(管)的临界应变值随着扭转速率的增加而减小，这是因为扭转引起体系能量的升高，从而降低了其拉伸和压缩失稳所需要的能垒。 3、利用第一性原理方法研究了轴向应变对单壁SiC纳米管几何结构和电子结构的影响。发现纳米管的能隙可以通过施加应变在很大范围内调制，能隙随着拉伸应变的增加而减小，随着压缩应变的增加先增加而后减小，这样可以考虑通过施加应变达到改变SiC纳米管电学性能的目的，在量子阱中具有潜在的应用前景。 4、利用第一性原理分子动力学研究了单壁SiC纳米管的移位阈能及辐照初期缺陷的产生过程。纳米管的尺寸及反冲能量的方向对SiC纳米管中原子移位阈能均有很大的影响。移位阈能随着纳米管直径的增加而增加。辐照后在纳米管中主要形成三种缺陷，一类是原子离位后成为吸附原子或自由原子；二是形成Stone-Wales(SW)缺陷；三是形成反位缺陷。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1研究背景

1.1.1器件微型化和高度集成化引发研究低维材料特性的热潮

1.1.2极端条件下器件的安全应用引发研究宽禁带半导体材料特性的热潮

1.1.3固体照明光源和新一带显示材料的发展要求研究宽禁带半导体材料特性

1.1.4计算机模拟已成为与理论研究、实验研究并列的第三种研究材料特性的强有力手段

1.2 GaN纳米材料的研究现状

1.2.1 GaN的基本性质

1.2.2 GaN纳米管的实验研究

1.2.3 GaN纳米线的实验研究

1.2.4 GaN纳米结构的理论研究

1.3 SiC纳米材料的研究现状

1.3.1 SiC的基本性质

1.3.2 SiC纳米线

1.3.3 SiC纳米管

1.3.4 SiC纳米结构的理论研究

1.4选题目的和意义

1.5研究内容

第二章理论计算方法

2.1第一性原理理论基础

2.1.1 Born-Oppenheimer绝热近似

2.1.2 Hartree-Fock方法

2.1.3密度泛函理论方法

2.2经典分子动力学理论基础

2.2.1运动的基本方程

2.2.2势能函数

2.2.3积分算法

2.2.4周期性边界条件

2.2.5元胞列表法减少CPIJ时间

2.2.6运行及统计

2.3第一性原理分子动力学理论基础

2.4.计算材料学的内容和层次划分

第三章GaN纳米管的热学和力学性能

3.1引言

3.2 GaN纳米管的构建

3.3 GaN体相材料熔化行为

3.3.1单相法确定体相GaN材料的溶点

3.3.2双相法确定体相GaN的熔点

3.4 GaN[100]和[110]晶面的熔化特征

3.5 GaN纳米管的熔化特征

3.6 GaN纳米管导热系数的尺寸效应

3.6.1导热系数的分子动力学模拟方法

3.6.2 GaN体材料的导热系数

3.6.3尺寸对GaN纳米管导热系数的影响

3.7 GaN纳米管韧脆转变的动力学特征

3.8 GaN纳米管束的拉伸行为

3.9 GaN纳米管的压缩屈曲行为

3.10 GaN纳米管的扭转屈曲行为

3.11拉伸和扭转复合载荷下GaN纳米管的力学行为

3.12本章小结

第四章GaN纳米线的热学和力学特性

4.1引言

4.2不同晶向GaN纳米线的构建

4.3晶向、尺寸对GaN纳米线的熔化行为的影响

4.4晶向、尺寸及温度对GaN纳米线导热特性的影响

4.5晶向、尺寸及温度对GaN纳米线拉伸性能的影响

4.5.1[001]方向纳米线的拉伸行为

4.5.2[1-10]方向纳米线的拉伸行为

4.5.3[110]方向纳米线的拉伸行为

4.5.4不同晶向纳米线的断裂方式的微观机理

4.5.5不同晶向纳米线的弹性模量

4.6晶向、尺寸及温度对GaN纳米线屈曲性能的影响

4.7本章小结

第五章SiC纳米线及纳米管的力学性能

5.1 SiC纳米线的纳米力学特性

5.1.1 SiC纳米线模型的建立

5.1.2拉伸

5.1.3压缩屈曲

5.1.4扭转屈曲

5.1.5拉伸-扭转复合载荷

5.1.6压缩-扭转复合载荷

5.1.7扭转变形后纳米线的拉伸及屈曲行为

5.2非晶SiC层包覆对纳米线的拉伸行为的影响

5.3 SiC纳米管的纳米力学特性

5.3.1 SiC纳米线的初始构型

5.3.2拉伸和压缩

5.3.3扭转屈曲

5.3.4拉伸-扭转复合载荷

5.3.5压缩-扭转复合载荷

5.4本章小结

第六章应变对SiC纳米管能带的调制

6.1引言

6.2计算方法

6.3结果及讨论

6.3.1几何结构

6.3.2能隙和能带结构

6.3.3轴向应变对SiC电子结构的影响

6.4本章小结

第七章SiC纳米管移位阈能的计算机模拟

7.1引言

7.2计算方法

7.3结果及讨论

7.4本章小结

第八章结论和展望

8.1全文总结

8.2本论文的创新

8.3展望

致谢

参考文献

攻博期间取得的研究成果