基于分子动力学的硅纳米线拉伸模拟

湖南大学硕士论文答辩2010年5月6日机械与运载工程学院基于分子动力学的硅纳米线拉伸模拟答辩人：曾塬导师：龙述尧教授内容提纲绪论1分子动力学理论概述2硅纳米线的分子动力学拉伸模拟3温度和应变率对硅纳米线性能的影响45不同缺陷尺寸对硅纳米线力学性能的影响总结与展望6绪论纳米材料概述各国纳米材料的发展2000年白宫正式发布了“国家纳米科技技术计划”(NNT)，2009年美国政府NNT的预计突破15亿美元。2003年我国成立国家纳米科技中心。纳米材料的特性表面效应，小尺寸效应，量子尺寸效应，宏观量子隧道效应纳米材料的分类及本文研究对象一维纳米材料-----硅纳米线绪论纳米材料研究方法实验研究方法介绍电子显微技术，x射线衍射谱，电学及光谱法，纳米实验力学分析数值方法研究介绍纳米力学计算方法主要有蒙特卡罗(MonteCarlo,MC)和分子动力学(MolecularDynamics,MD)方法本文采用分子动力学方法分子动力学理论概述分子动力学方程的描述经典的拉格朗日描述0,1,2,,iidLLiNdtrrL&哈密顿描述212121211(,,,,,,,)(,,,)2ninnniiHUmprrrppprrrLLLiiHrp&iiHpr&分子动力学理论概述分子动力学方程的求解初始条件和边界条件分子动力学方程的算法及步长Verlet算法、蛙跳法、预测-校正算法、Verlet-velocity法21()()()()211()()()22()(())/1()()[()()]2iiiiiiiiiiiiirttrtvttattvttvtattattUrttmvttvtatattt分子动力学理论概述分子动力学几个相关概念势函数：对势、多体势、原子嵌入势。本文采用多体势Tersoff势：Stillinger-Weber势：系综、温度的控制和应力应变的计算微正则系综(NVE)、正则系综(NVT)、等温等压系综(NPT)、等压等焓系综(NPH)，直接速度标定法(DirectVelocityScaling)、外部热浴(ExternalBath)纳米线的应力应变1111233,1,3.2394,1.3258,1.3258,0.33675,22.965,mAAAn3264.7,95.373,3.0,0.2,4.8381,2.0417,cos0AeVBeVRADAcd2.1683,2.0951,7.0496,0.6022,4.0,0,1.8,21.0,eVAABpqb1.201111(())2NNNijijijrrmxxUrVr00lll（）/硅纳米线的分子动力学拉伸模拟硅纳米线的拉伸模拟模型建立：x，y，z坐标轴分别对应晶胞的硅的原子质量28.0855，晶格常数a=0.543nm，以晶胞为基本单位，建立纳米丝模型如图，共2550个原子，其截面为边长的正方形，长度为16.293nm。91210s模拟过程中在积分时，步长取为0.005ps，在x，y方向取自由边界条件，z方向取周期边界条件来模拟纳米线，采用Nose-Hoover方法进行等温控制，温度为0.1K，应变率取为加载应变到0.01之后再弛豫10000步，重复此加载过程直到断裂。硅纳米线的分子动力学拉伸模拟Tersoff势0.00.10.20.3024681012141618TersoffSWStress(Gpa)Strain图3.2不同势函数时应力-应变曲线图3.3无缺陷硅纳米线的变形(a)弛豫后拉伸前，应变为0，(b)应变为0.240，此时应力值最大，(c)应变为0.250时，中间段截面发生变形，(d)应变为0.365，即将完全断裂。硅纳米线的分子动力学拉伸模拟缺陷对硅纳米线的影响模型的建立：在图3.1模型的基础上去掉中部区域(x(6.518nm,9.776nm),y(6.518nm,9.776nm),z(65.18nm,97.76nm))内的32个原子得到具有缺陷的硅纳米丝模型如图3.4。计算结果及分析0.000.050.100.150.200.250.3002468101214DefctsNodefectsStress(Gpa)Strain图3.5有缺陷和无缺陷硅纳米线应力-应变曲线硅纳米线的分子动力学拉伸模拟硅纳米线横截面尺寸的影响模型的建立应力-应变曲线分析图3.11表明，在相同应变时，截面小的更容易出现晶格突变现象，但是这并不意味截面小的硅纳米线断裂越快，相反截面尺寸越小越不容易断裂，温度和应变率对硅纳米线性能的影响温度对硅纳米线的影响0.1K、300K、500K、800K和1000K温度和应变率对硅纳米线性能的影响温度和应变率对硅纳米线性能的影响应变率的影响0.00.10.20.30.40246810121416defect2*1010defect2*109defect2*1082*10102*1092*108Stress(Gpa)Strain81210s91210s101210s图4.9不同应变率下的应力-应变曲线不同缺陷尺寸对硅纳米线力学性能的影响纳米线缺陷长度及位置的影响不同缺陷尺寸对硅纳米线力学性能的影响不同缺陷尺寸对硅纳米线力学性能的影响不同缺陷尺寸对硅纳米线力学性能的影响不同缺陷尺寸对硅纳米线力学性能的影响不同缺陷尺寸对硅纳米线力学性能的影响纳米线截面缺陷尺寸的影响空心截面硅纳米线的拉伸分析总结与展望结论采用分子动力学研究了硅纳米线的力学性能，得到其应力-应变曲线，由应力-应变曲线可知，硅纳米线无明显的塑性流动，但在拉伸过程中会出现颈缩现象；研究了无缺陷和有缺陷的硅纳米线的力学性能，在硅纳米线具有缺陷时，其强度会大大减小，且断裂位置通常在缺陷处；研究了不同截面尺寸硅纳米线的力学性能，研究表明：当截面尺寸增大时，硅纳米线的最大应力和应变同时增大。然后研究了温度和应变率对硅纳米线力学性能的影响，研究表明：温度升高时硅纳米线的最大应力和应变会随着减小，当温度增大至1000K时，硅纳米线呈现出熔融状态，失去承载能力；同时，应变率越大，硅纳米线的最大应力和应变也越大。最后研究了缺陷长度和缺陷截面尺寸对硅纳米线力学性能的影响，当缺陷长度逐渐变大时，硅纳米线的最大应力和应变会先变小再慢慢变大；当缺陷截面尺寸增大时，硅纳米线的韧性会增强。展望在进行大规模计算时，可采用分子动力学与其他数值方法进行耦合，采用多尺度数值方法进行纳米材料的模拟，提高计算效率。可以尝试进行实验研究，并进行比较分析。