碳化硅纳米线拉伸的分子动力学模拟

来源 :大连理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:yinzheng1974
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碳化硅(SiC)是典型的第3代半导体,也是目前最重要的半导体之一,由于其具有高强度、高硬度、热膨胀系数小、抗氧化性强、热导率大、耐磨性好、光电性能优异等特性,被认为是高温、高功率、高压和高频等极端工作条件下的理想材料,目前已经在航空航天、军工、国防等高性能装备及高性能零件等方面有了极为广泛的应用。  很多的高性能零件都要求亚纳米级的表面粗糙度、纳米级的形位精度以及表面、亚表面无损伤,因此需要超精密加工来满足这种苛刻的要求。而纳米尺度应力诱导损伤起源及演变的动态过程对于低、无损伤高性能表面的形成具有极为重要的意义。为了获得高性能表面以及高性能零件并服务于高性能装备,研发相关的超精密加工工艺装备,满足国家的重大需求,需要对纳米尺度应力诱导损伤起源及演变的动态过程进行理解,但这在实验上很难做到,而分子动力学则是最有效的方法之一,但是目前国际上研究SiC纳米尺度应力诱导损伤起源及演变的动态过程的工作相对较少。  本文针对晶体结构、非晶SiC层包覆晶体的结构以及非晶结构的3种SiC纳米线,通过分子动力学模拟的方法,进行了拉伸断裂、断裂表面接触以及第二次拉伸断裂的试验,分别得到了断裂表面自愈合后愈合率达到了14.1%、28.6%和54.9%的SiC纳米线,并通过对SiC纳米线拉伸断裂时单个C、Si原子在不同阶段的位置信息、键长值以及势能值的变化进行分析,得到了SiC纳米线断裂时晶体、非晶结构变化以及断裂表面形成悬键的过程,同时发现了表面原子与其它原子随机成键,自发进行表面重构的过程。  在断裂表面接触时发现了C-C、C-Si、Si-Si原子之间通过原子移动或旋转的方式重新键合的现象,同时结合了整个模拟过程中总能量值及势能值随时间变化的曲线,获得了SiC纳米线断裂表面自愈合的机理:由于系统会从不稳定的高能态向着稳定的低能态发展,所以重新键合成为了最有效的一种方式,重新键合的原子势能会降低,进而导致系统的能量降低,最终SiC纳米线通过原子之间重新键合的方式,实现了断裂表面的自愈合。但由于SiC纳米线两次拉伸时的结构不同,导致不同结构纳米线的愈合率也不同。  在完成分子动力学模拟的工作之后,又通过透射电镜原位力学实验进行验证,发现在真空条件下拉伸断裂的SiC纳米线的断裂表面能够在接触之后自发的进行断裂表面的自愈合,晶体SiC纳米线的愈合率达到了12.9%,非晶SiC纳米线的愈合率达到了67.4%,证实了分子动力学模拟的结果,理论与实验相吻合,为下一代航空航天等重大领域高性能器件的设计制造奠定了理论与实验基础。
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