Bi2Te3熱電材料力學性能的分子動力學研究.pdf

1、熱電材料是可以將熱能和電能直接轉(zhuǎn)換的材料,多用于半導體制冷和發(fā)電。Bi2Te3基化合物是室溫下性能最好的熱電材料,也是研究最早最成熟的熱電材料之一。隨著納米技術(shù)的發(fā)展,近年來有關(guān)在低維材料中取得高熱電優(yōu)值的報道不斷出現(xiàn)。將材料的晶粒細化到納米級,可以提高熱電性能。目前關(guān)于Bi2Te3材料的力學性能尤其是納米材料的分子動力學研究還是一個比較新的課題,國內(nèi)外相關(guān)研究報道較少。對這一問題的研究是材料學及力學工作者較為關(guān)注的課題。利用分子動力學

2、,我們可以獲得Bi2Te3材料的微觀力學信息,為進一步了解Bi2Te3材料在低維化條件下的材料性能提供了科學有效的依據(jù)。
　　 本文根據(jù)Huang和Kaviany等人建立的Bi2Te3多體勢函數(shù)利用分子動力學方法模擬了Bi2Te3單晶塊體、納米薄膜和納米線的拉伸,研究了拉伸過程中溫度、應(yīng)變率和尺寸等因素對其力學性能和力學行為的影響。
　　 首先,根據(jù)Bi2Te3材料的晶體結(jié)構(gòu)以及成鍵模型分析了Bi2Te3中原子間的相互作

3、用情況。對現(xiàn)有Bi2Te3的勢函數(shù)進行分析,選擇Huang等人建立的Bi2Te3多體勢函數(shù)模型。描述了Bi2Te3單晶材料在LAMMPS軟件中的分子動力學模擬實施過程。在此基礎(chǔ)之上對Bi2Te3多體勢函數(shù)進行驗證,計算了1到600K溫度范圍內(nèi)徑向分布函數(shù)、晶格常數(shù)、熱膨脹系數(shù)以及彈性常數(shù)等參數(shù),發(fā)現(xiàn)與其他研究者的實驗和理論值較為吻合,說明該勢函數(shù)能夠準確地描述Bi2Te3材料的力學性質(zhì)。
　　 在對Bi2Te3的多體勢驗證之后,

4、進行了單晶塊體、納米薄膜和納米線的單軸拉伸模擬。在Bi2Te3單晶塊體的拉伸模擬過程中發(fā)現(xiàn),對于不同晶向的拉伸Bi2Te3塊體都表現(xiàn)為脆性斷裂,但具體破壞形式不同,對應(yīng)的極限強度以及破壞應(yīng)變也不同。受溫度的影響,Bi2Te3單晶塊體的彈性模量、極限強度和破壞應(yīng)變隨著溫度的升高而降低。
　　 在Bi2Te3納米薄膜的拉伸模擬過程中發(fā)現(xiàn),通過計算徑向分布函數(shù)發(fā)現(xiàn)薄膜和塊體的晶體結(jié)構(gòu)相同,但是薄膜原子排列的有序性降低。與塊體相比薄膜沿

5、厚度方向上能量和應(yīng)力分布不均:表層原子的能量較高,且表現(xiàn)為拉應(yīng)力;內(nèi)層原子的能量較低,呈壓應(yīng)力。而塊體沿厚度方向的能量和應(yīng)力分布均勻。由此考察了表面效應(yīng)對Bi2Te3納米薄膜力學性能的影響。比較納米薄膜和塊體的應(yīng)力應(yīng)變曲線發(fā)現(xiàn),薄膜的彈性模量較塊體有較大的降低,而強度和破壞應(yīng)變也略有降低。分析薄膜在拉伸過程中的原子構(gòu)型發(fā)現(xiàn)與相同晶向的塊體拉伸斷裂形式基本一致。受溫度的影響,Bi2Te3納米薄膜的彈性模量、極限強度和破壞應(yīng)變隨著溫度的升高

6、而降低。對不同厚度薄膜進行拉伸模擬發(fā)現(xiàn),隨著薄膜厚度的增加彈性模量逐漸接近塊體值。
　　 對Bi2Te3單晶納米線的力學性能研究。通過弛豫過程獲得了無初應(yīng)力的納米線模型。分析了納米線的徑向分布函數(shù),通過與塊體對比發(fā)現(xiàn),納米線主要的晶格結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生明顯改變,但是由于邊界的引入導致晶格的無序性增大,表面原子將會降低納米線晶格的穩(wěn)定性。比較Bi2Te3納米線和塊體的應(yīng)力應(yīng)變曲線發(fā)現(xiàn),納米線無論是彈性模量、極限強度和破壞應(yīng)變都有大幅降低