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金属纳米线的形变机理研究

作　者: 高亚军
导　师: 赵健伟
学　校: 南京大学
专　业: 分析化学
关键词: 分子动力学纳米线晶向缺陷孪晶界多晶
分类号:
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

本论文从电子电镀工艺中存在的问题出发,提取内在的科学问题,基于自主开发的大规模纳米仿真平台,通过建立多种不同纳米线的计算模型进行纳米线力学形变机理的研究。本文尝试从纳米线内部和外部两方面因素对纳米线进行研究。一方面详细讨论了纳米线内部结构,如晶向排布、晶界、缺陷等因素对于纳米线形变的影响；另一方面充分考虑到的外部因素包括,纳米线外力载荷的方式,载荷速率,温度等因素对纳米线形变的影响。逐步揭示纳米尺度材料的形变机理,为进一步开展微纳加工技术研究打下基础。1.晶体取向对铜纳米线形变机制的影响选取<100>、<110>、<111>三种代表性的晶向,通过分子动力学模拟考察单晶铜纳米线在不同温度下拉伸形变行为。采用中心对称参数结构分析法,分析了拉伸过程中纳米线的塑性形变及结构演变。其中,着重研究了拉伸晶向对铜纳米线的杨氏模量以及塑性形变初期的影响。模拟结果表明不同纳米线的各向异性表现明显。在每一个应力应变曲线之后,从位错的角度讨论了纳米线的屈服机理,文中对于纳米线的初期塑性形变的研究将有助于对纳米材料机械性质的进一步理解。此外,我们还研究了温度对纳米线拉伸变形的影响,研究表明<100>铜纳米线的杨氏模量随着温度增加线性地下降,纳米线稳定性降低。2.缺陷对金属纳米线形变机制的影响通过设计含点缺陷、表面缺陷、孔洞缺陷三种不同模型,研究了含缺陷银纳米线的机械形变行为。采用中心对称参数法分析了拉伸过程中纳米线的结构演变。对于点缺陷的模型,我们着重研究了不同缺陷率,拉伸速率和系统温度下纳米线的弹性形变行为。其次,我们还发现表面缺陷对纳米线屈服应力的影响显著。最后,本章重点研究了封闭孔洞缺陷对纳米线拉伸形变的影响。通过设计不同尺寸的球形孔洞缺陷,配合不同拉伸晶向,结合拱形结构受力以及泊松侧向压缩效应加以分析,探讨了孔洞大小对纳米线强度的影响、位错滑移的形变机制。研究表明不同晶向纳米线受孔洞缺陷影响的程度不一样。3.孪晶界对金属纳米线形变机制的影响通过分子动力学方法研究了孪晶界强化银纳米线的机械形变行为。分为两个部分研究孪晶界对于纳米线拉伸和扭转形变行为的影响。前一部分主要研究了五重孪晶银纳米线的拉伸和扭转形变行为。文中以<110>单晶银纳米线拉伸和扭转形变作为对照研究,研究结果表明五重孪晶银纳米线相比<110>单晶纳米线具有更好的弹性性能,五重孪晶的塑性形变机理与断裂行为也明显不同于单晶纳米线。特别地,文中还着重介绍五重孪晶纳米线具有完全不同的扭转形变机理与拉伸形变机理。后一部分主要设计了截面为矩形的(111)孪晶纳米线以及多晶面孪晶纳米线这两种孪晶纳米线模型。研究发现孪晶界使得纳米线强度变大,而且孪晶厚度越小,强化效应越明显。对孪晶界强化纳米线形变研究,将有助于我们了解具有特殊功能结构以及表面形态的纳米线,以便于更好的实验与应用研究。4.三维纳米晶的模拟与单晶纳米线的扭转研究本文最后一章主要讨论了基于纳米线体系的其它分子动力学模拟。分为两个部分,前一部分初步研究了多晶纳米线的微观结构及其机械性能,为进一步联系电镀工艺研究打下基础。通过Voronoi方法构造了较为符合实际物理特征的多晶银几何结构,在低温驰豫下利用径向分布函数、原子能量两种方法分析了纳米多晶的微观结构。在一定拉伸速度下对驰豫后的纳米多晶进行低温拉伸性能模拟,并与单晶银纳米线、实验结果相对照,验证了多晶纳米线反Hall-Petch现象；研究还表明多晶银纳米线的塑性形变与晶界的活动有关。为全面理解复杂载荷下的纳米线形变,后一部分尝试探讨了<100>单晶纳米线在扭转载荷作用下的形变行为。本部分首先分析了扭转速率、纳米线横截面尺寸以及温度等因素对临界扭转角的影响。模拟结果表明不同的扭转速率会导致的不同的形变方式。在低扭转速率下,纳米线的能量曲线波动特点明显,主要以位错滑移形变为主,而在高速扭转下,纳米线的能量曲线并无明显的周期摆动特点,位图中发现纳米线中出现局域非晶。

全文目录

中文摘要  7-10
ABSTRACT  10-13
本论文的主要创新点  13-14
第一章绪论  14-29
  摘要  14
  1.1 研究背景及意义  14-19
    1.1.1 工业应用研究  14-16
    1.1.2 基础科学研究  16-19
  1.2 纳米线形变的分子动力学研究  19-23
  1.3 本论文的主要研究内容  23-25
  1.4 参考文献  25-29
第二章分子动力学方法与原理  29-49
  摘要  29
  2.1 分子动力学的原理  29-37
    2.1.1 势函数的发展  30-33
    2.1.2 运动方程的求解  33-35
    2.1.3 初始条件  35
    2.1.4 温度校正方法  35-36
    2.1.5 边界条件  36-37
  2.2 分子动力学的计算机实现  37-43
    2.2.1 本文选用的势函数  37-39
    2.2.2 截断半径法  39-41
    2.2.3 动力学计算流程图  41-42
    2.2.4 NanoMD软件介绍  42-43
  2.3 金属纳米线分析方法  43-46
    2.3.1 原子级应力和应变  43-44
    2.3.2 径向分布函数  44
    2.3.3 缺陷的判定方法  44-46
  2.4 参考文献  46-49
第三章单晶纳米线拉伸的形变机制研究  49-66
  摘要  49
  3.1 引言  49-50
  3.2 研究方法  50-51
  3.3 结果和讨论  51-63
    3.3.1 弹性形变阶段的各向异性  51-53
    3.3.2 塑性形变阶段的各向异性  53-60
    3.3.3 施密特因子预测的适用性  60-61
    3.3.4 温度对纳米线稳定性的影响  61-63
  3.4 小结  63-64
  3.5 参考文献  64-66
第四章含缺陷纳米线形变机制的研究  66-86
  摘要  66
  4.1 引言  66-68
  4.2 含点缺陷纳米线的拉伸  68-70
    4.2.1 研究方法  68-69
    4.2.2 结果和讨论  69-70
  4.3 含表面缺陷(台阶)纳米线的拉伸  70-72
    4.3.1 研究方法  70-71
    4.3.2 结果和讨论  71-72
  4.4 含孔洞缺陷纳米线的拉伸  72-84
    4.4.1 研究方法  72-74
    4.4.2 结果和讨论  74-84
  4.5 小结  84-85
  4.6 参考文献  85-86
第五章孪晶界强化金属纳米线  86-109
  摘要  86
  5.1 引言  86-88
  5.2 五重孪晶纳米线  88-97
    5.2.1 研究方法  88-89
    5.2.2 结果与讨论  89-97
    5.2.3 小结  97
  5.3 (111)孪晶纳米线  97-106
    5.3.1 孪晶结构模型与构建  97-99
    5.3.2 结果与讨论  99-106
    5.3.3 小结  106
  5.4 参考文献  106-109
第六章三维纳米晶的模拟与单晶纳米线的扭转研究  109-131
  摘要  109
  6.1 引言  109-110
  6.2 纳米多晶结构与力学性能  110-116
    6.2.1 研究方法  110-111
    6.2.2 纳米晶的结构  111-114
    6.2.3 纳米多晶银的拉伸形变  114-116
  6.3 单晶纳米线的扭转形变  116-127
    6.3.1 研究方法  116-117
    6.3.2 结果与讨论  117-127
  6.4 小结  127-128
  6.5 参考文献  128-131
附录攻读博士学位期间已发表的论文  131-132
致谢  132-134

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