氮化镓纳米线机械性能的模拟研究

论文摘要

纳米线作为新型的一维材料越来越多地引起了人们的研究兴趣。2001年《Science》杂志宣布基于半导体纳米线的纳米电路将是人类科学技术的一个重大突破。一种材料能被应用于人类的生活实际,首先取决这种材料有足够好的机械性能支持,所以对纳米材料和器件基本机械性能的研究也显得尤为重要。随着纳米技术的迅猛发展,纳米结构半导体光电子器件在微电子领域的地位越来越重要,合成和制备纳米结构半导体的工作也大量地被开展,但是实验室制备的纳米结构半导体存在着不同形式的缺陷,这些缺陷在某种程度上影响着纳米结构半导体的机械性能。很多研究者在研究纳米结构半导体的时候忽略了缺陷的存在的影响,从而造成了实验和理论上存在一定程度上的不符。研究缺陷对纳米结构半导体机械性能的影响,这需要从原子分子尺度对其结构做一定考察,进一步了解在不同的缺陷情况下,纳米结构半导体机械性能的差异。本论文应用经典分子动力学方法,从原子尺度对不同温度、尺寸、表面缺陷浓度、随机空位浓度、不同晶界条件下氮化镓（GaN）纳米线的机械性能进行研究。研究发现:温度对其杨氏模量影响很小,但是对其临界应力则影响很大。温度升高,氮化镓纳米线的临界应力明显减小,而其杨氏模量则略微减小。随着氮化镓纳米线半径的增大,其杨氏模量也跟着增大。随机空位浓度或者是表面缺陷浓度增加,氮化镓纳米线的杨氏模量都会减小,但是在相同的浓度条件下,随机的空位缺陷对氮化镓纳米线的杨氏模量和临界应力的影响要大于表面缺陷。IDB和IDB*晶界能显著的减小氮化镓纳米线的杨氏模量,而GB-I和GB-II对氮化镓纳米线杨氏模量的影响就很小,但对临界应力的影响GB-I和GB-II晶界要大于IDB和IDB*晶界。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 引言
• 1.1 纳米半导体材料
• 1.2 氮化镓材料的性质与应用价值
• 1.3 氮化镓纳米线的制备与研究进展
• 1.4 分子动力学简介
• 1.5 本论文的目的和内容
• 第2章 分子动力学方法及技术
• 2.1 基本原理
• 2.1.1 积分方法
• 2.1.2 温度、压强的控制方法
• 2.2 周期性边界条件
• 2.3 原子间的相互作用势
• 2.4 模拟软件
• 2.5 小结
• 第3章 氮化镓纳米线拉伸的机械性能研究
• 3.1 氮化镓纳米线模型的建立与模拟过程
• 3.1.1 氮化镓纳米线模型的建立
• 3.1.2 拉伸模拟过程
• 3.2 模拟不同晶向氮化镓纳米线拉伸过程的结论与分析
• 3.2.1 轴向拉伸[0001]向氮化镓纳米线
• 3.2.2 轴向拉伸[1100] 向和[1120] 向氮化镓纳米线
• 3.3 小结
• 第4章 不同的缺陷对氮化镓纳米线机械性能的影响
• 4.1 缺陷模型的引入
• 4.2 不同缺陷和晶界模型的建立
• 4.3 模拟缺陷对氮化镓纳米线机械性能影响的结论与分析
• 4.3.1 表面缺陷与随机缺陷对[0001]向氮化镓纳米线机械性能的影响
• 4.3.2 不同的晶界对[0001]向氮化镓纳米线机械性能的影响
• 4.3.3 相同缺陷下尺寸效应的影响
• 4.4 小结
• 第5章 总结与展望
• 5.1 总结
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、攻读硕士学位期间发表的论文