超晶格纳米线自组装中的力学问题研究

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超晶格纳米线结构在半导体、光电、热电等领域都有着极高的应用前景。实验研究发现超晶格结构可通过自组装形成,但由于自组装速度快,很难通过原位实验观测到其整个自组装过程,因此它的自组装过程及机理目前还不清晰。同时,超晶格结构可以看作一维纳米夹杂结构,研究纳米线内夹杂间弹性相互作用,对于调控超晶格纳米线的自组装有重要意义。本文研究了 Te-Ag2Te超晶格纳米线自组装过程及机理,并研究了纳米线内夹杂间弹性相互作用规律及影响因素,进一步的,我们发现外加应力可以调控纳米线内夹杂间弹性相互作用。具体工作如下:通过应力耦合浓度的相场模型,我们模拟了 Te-Ag2Te超晶格纳米线的自组装过程。我们引入一个静态序参量表征超晶格纳米线形状,用另一个序参量区分纳米线内Te和Ag2Te两相结构。通过Cahn-Hilliard方程结合smooth-boundary方法模拟体系的相变过程,借助相场微弹性理论求解体系应力分布及演化过程。通过计算系统的弹性能,我们发现纳米线内各段Te或Ag2Te间存在着近程吸引远程排斥的弹性相互作用。而对于分段结构,周期性的超晶格结构的弹性能最低,从而揭示了 Te-Ag2Te超晶格纳米线自组装形成的机理。我们将超晶格纳米线看做各向同性无限长圆柱棒内含有均匀夹杂结构。首先获得了无限长圆柱棒内含有两段任意长度夹杂的应力分布和弹性能解析解。接着通过相场方法得到应力和弹性能的数值解,并和解析解进行对比验证。根据弹性能随夹杂间距变化曲线,我们发现纳米线内夹杂间存在近程吸引远程排斥的弹性相互作用,且该弹性相互作用受到夹杂长度和泊松比的影响。接着我们证明在纳米线表面施加局域径向应力可以调节纳米线内夹杂间弹性相互作用,从而实现改变超晶格结构的周期性。最后我们还研究了不同截面形状纳米线内夹杂间的弹性相互作用。
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