硅纳米线温度、尺度依赖的力学性能分析--模型和分子动力学研究

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1、中图分类号：O343单位代号：10280密级：公开学号：15723195硕士学位论文SHANGHAIUNIVERSITYMASTER’SDISSERTATION硅纳米线温度、尺度依赖的题力学性能分析目—模型和分子动力学研究作者陈柳燕学科专业固体力学导师孙升、张统一完成日期2018年5月上海大学硕士学位论文上海大学工学硕士学位论文硅纳米线温度、尺度依赖的力学性能分析——模型和分子动力学研究姓名：陈柳燕导师：孙升、张统一学科专业：固体力学上海大学理学院上海市应用数学和力学研究所2018年5月III上海大学硕士学位论文ADissertationSubmittedtoShangh

2、aiUniversityfortheDegreeofMasterinengineeringSize-andtemperature-dependentMechanicalPropertiesofSiliconNanowiresbyTheoreticalModelingandMolecularDynamicsSimulationsMACandidate：LiuyanChenSupervisor：ShengSunandTong-YiZhangMajor：SolidmechanicsCollegeofScience,ShanghaiUniversityShanghaiInstit

3、uteofAppliedMathematicsandMechanicsMay,2018IV上海大学硕士学位论文摘要硅纳米线，也称SiNWs，具有宏观硅体材料没有的独特性质，除了常规半导体性质外，还表现出场发射、热导率及可见光致发光等物理性质，广泛应用于太阳能光电板、纳米线电池，热电材料和非易失性存储器等。由于其具有较高的表面积/体积比，硅纳米线的力学性能表现出明显的尺度依赖。本文基于表面本征应力模型，给出了硅纳米线初始应变和杨氏模量与尺度关系式。同时引入温度的影响，温度的变化主要影响纳米线的尺寸和杨氏模量。对于纳米线尺度的变化，用热膨胀系数衡量；而杨氏模量的变化则由Var

4、shni方程衡量，基于此构建纳米线尺度、温度依赖的表面本征应力模型。之后采用分子动力学模拟方法对该模型进行验证和分析。模拟[100]、[110]和[111]三个晶向的不同尺寸硅纳米线在不同温度下（100k-400k）的弛豫和小变形拉伸（压缩）行为，得到相应的初始应变、杨氏模量、热膨胀系数以及定压热容。然后用得到的相应数据对尺度、温度依赖的表面本征应力模型进行验证。验证结果表明尺度、温度依赖的表面本征应力模型能完美地适用于金刚石结构Si纳米线的三个晶向。同时研究了尺寸、温度对硅纳米线塑性行为的影响。结果表明：硅纳米线在小尺寸下容易形成贯穿位错，而在大尺寸下则会形成林位错。且

5、随着温度的升高，硅纳米线形成贯穿位错的临界尺寸逐渐升高。关键词：表面本征应力模型，尺度、温度依赖杨氏模量，尺度、温度依赖热膨胀系数，分子动力学模拟V上海大学硕士学位论文ABSTRACTDuetothepromisingpotentialapplicationsofSinanowires(SiNWs)innano-/micro-electro-mechanicalsystems,theydeservefurtherinvestigationstodescribetheirpropertiesquantitatively.Sinanowirespresentlargesurf

6、ace-to-volumeratiosandthuspossessuniquepropertieswhencomparingwiththeirbulkcounterpart,showingsize-dependenceofnominalYoung'smodulusandsurfaceenergy.Temperaturealsoplaysanimportantroleinthesize-dependentYoung‘smodulus.Inaddition,achangeintemperaturecaninducedimensionchangeofamaterial,char

7、acterizedbythermalexpansioncoefficient(TEC)ofthematerial.Inthisthesis,weextendedthesurfaceeigenstressmodelandderivedaunifiedanalyticequationtodescribetheeffectsofsizeonYoung‘smodulusandthetemperatureonbothYoung‘smodulusandTECundersmallelasticdeformationofSiNWs,byemp