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半导体材料一直是现代微电子技术的核心。但受限于生产工艺,传统半导体晶体管不能到达纳米量级。最近,实验室制备出硅单晶纳米线,并且用它组装成晶体管和化学传感器,使得纳米电子和光学器件的应用成为可能。量子限域使硅纳米线的性质不同于硅晶体。例如:硅晶体的电子能带中是间接带隙,而硅纳米线是直接带隙,硅纳米线能在可见光范围光致发光等。由于直径在5到20nm范围的硅纳米线才有应用和研究的价值,所以制备可控制直径大小和掺杂类型及浓度的硅纳米线是实验研究的重点。
由于硅纳米线暴露在空气中,其表面被氧化硅包围。通常表面化学修饰改变纳米线界面同周围环境的相互作用,而纳米线的电学、光学等性质依赖于表面。所以氧化硅表面对硅纳米线的性质起到调制的作用。通过控制沉积不同的材料到原始纳米线的表面,得到core-shell结构的纳米线。core-shell纳米线有很多优异的性质和应用前景。由于力学性质是core-shell纳米线的重要性质,本文基于Stillinger-Weber经验势研究硅/锗core-shell纳米线的杨氏模量。
第一章介绍硅纳米线的性质和制备方法,及core-shell纳米线对硅纳米线性质的调制作用。
第二章介绍本论文使用的理论计算方法。
第三章介绍我的研究内容,使用经验势模型计算硅/锗core-shell纳米线的杨氏模量。发现杨氏模量依赖于core原子数与总原子数之比。应用应力计算公式将硅/锗core-shell纳米线的杨氏模量分为两项,总的杨氏模量不仅依赖于core和shell的杨氏模量,还依赖于体积比。为计算core和shell的杨氏模量需要定义core和shell的体积,使用了三种几何定义。最后,发现杨氏模量和应力的关系:压应力使锗core纳米线的杨氏模量增大,张应力使硅core纳米线的杨氏模量减小。应力作用和core与shell的界面影响相竞争使锗core纳米线的杨氏模量与硅core纳米线的杨氏模量变化趋势不同。