新型硅鍺納米管結(jié)構(gòu)熱熔和力學(xué)性能研究.pdf

1、硅和鍺是電子工業(yè)領(lǐng)域的重要材料。硅鍺納米管展示出優(yōu)異的化學(xué)、力學(xué)性能以及高熱導(dǎo)率，可應(yīng)用到納米鉆孔機(jī)，納米鑷子，電子顯微鏡等方面。硅鍺納米管的物理和化學(xué)性質(zhì)除了受尺寸影響之外，還受組成和原子排列的影響。此外，硅鍺納米管呈現(xiàn)出特殊的結(jié)構(gòu)特征。這些特性為硅鍺納米管的制備和設(shè)計(jì)提供了空間。因此，研究硅鍺納米管的結(jié)構(gòu)、熱融和力學(xué)性能具有非常重要的理論和實(shí)際意義。
　　 由于納米管體系小，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，單靠實(shí)驗(yàn)手段很難獲得納米管的結(jié)構(gòu)和化學(xué)、

2、力學(xué)性能的相關(guān)信息。因此，人們必須借助各種不同的計(jì)算模擬方法來研究納米管。采用計(jì)算模擬方法不但能研究硅鍺納米管的結(jié)構(gòu)、熱演化現(xiàn)象和力學(xué)性能，還能解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象并可以進(jìn)而指導(dǎo)其制備。研究納米管的計(jì)算模擬方法主要有兩種，即量子化學(xué)計(jì)算和分子模擬方法。量化計(jì)算方法較準(zhǔn)確，但計(jì)算量巨大，適用范圍受限。因此，在研究稍大體系納米管的性質(zhì)時(shí)，最常用的是基于經(jīng)驗(yàn)勢能的分子模擬方法，主要包括分子動力學(xué)(molecular dynamics，MD)和蒙特卡洛

3、(Monte Carlo，MC)方法。本文采用量子化學(xué)方法研究了硅鍺納米管的兩種特異構(gòu)型，同時(shí)采用基于Tersoff勢能函數(shù)的MD方法研究了硅鍺納米管的熱融和力學(xué)性能。其主要結(jié)論如下：
　　 ⑴采用第一性原理(Ab-initio Method)方法研究了間隔式和層狀式排列的扶椅型及鋸齒型硅鍺納米管的結(jié)構(gòu)和能量穩(wěn)定性。發(fā)現(xiàn)扶椅型硅鍺納米管呈現(xiàn)“褶皺”狀結(jié)構(gòu)，而鋸齒型硅鍺納米管呈現(xiàn)“齒輪”狀構(gòu)型。扶手椅型硅鍺納米管比鋸齒型硅鍺納米管

4、更穩(wěn)定。間隔排列(Typel)的硅鍺納米管比層狀排列(Type2)的硅鍺納米管更穩(wěn)定。
　　 ⑵系統(tǒng)研究了兩種原子排列方式的扶椅型和鋸齒型SiGe(n=4-10)納米管的熔化和熱演化過程。硅鍺納米管在熱熔化過程中，首先由初始管狀結(jié)構(gòu)演變成為壓縮的納米線形狀，再在更高的溫度下轉(zhuǎn)變?yōu)榭s聚的結(jié)構(gòu)。通過研究發(fā)現(xiàn)大尺寸硅鍺納米管比小尺寸納米管具有更高的“似熔化”溫度，這表明大尺寸管比小尺寸管更穩(wěn)定。間隔式排列的納米管比層狀式排列的納米管具

5、有更高的熱穩(wěn)定性。鍺取代硅納米管的“似熔化”溫度隨著鍺含量的升高而降低。原子排列方式、構(gòu)型和能量穩(wěn)定性是影響SiGe納米管熱熔性能的主要因素。
　　 ⑶系統(tǒng)研究了兩種原子排列方式的扶椅型和鋸齒型硅鍺納米管(n=4-10，13)的力學(xué)性能。通過研究發(fā)現(xiàn)在拉伸過程中，硅鍺納米管由原始管狀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)檠由旃軤罱Y(jié)構(gòu)，最后在臨界應(yīng)變下出現(xiàn)屈服結(jié)構(gòu)。硅鍺納米管的楊氏模量與原子排列方式、結(jié)構(gòu)、尺寸有緊密聯(lián)系。間隔式排列的硅鍺納米管具有較大的楊氏