氮化镓纳米晶力学特性及结构演化的分子动力学模拟.pdfVIP

重庆大学硕士学位论文 中文摘要 摘 要 现今，对于宏观尺度上的材料的性能研究已经有了全面和完备的科学方法，但 是对于纳米材料，由于其微观尺度、实验现象难以观察等特点，许多方面的研究仍 处于起步阶段。闪锌矿结构氮化镓（B3-GaN ）由于其优异的物理特性、化学特性 和光学特性等，受到了人们的广泛关注，是第三代半导体的代表材料之一，在航空 航天上也有着重要的用途，具有广阔的应用前景。了解材料的力学性能是我们设计 和使用材料的基础，但是目前对于B3-GaN 力学性能的研究并不多见，许多研究也 都集中在其电子特性和光学特性上。本文采用了分子动力学模拟的方法，对 B3- GaN 做了详细的力学特性研究。 对B3-GaN 在受力情况下的材料变形做了研究，通过对（001 ）面纳米压痕实 验的P-h 曲线可以发现B3-GaN 在塑性变形阶段会释放出大量的位错，这些位错全 是伯氏矢量为b 1/2110 的全位错。随着压痕深度的增加，会有附着于压痕区域 的大量位错在位错运动过程中形成位错环，从压痕区域脱落并向材料内部发射。研 究表明，受力情况下在（001 ）压痕面上Mises 应力场的分布倾向于沿45°方向均匀 分布，这是因为位错会在最易滑移的滑移面上开动。与此同时，探究了温度对B3- GaN 的影响，发现温度会对B3-GaN 材料的强度产生影响，在较低温度下材料的 强度较高。除此之外，分析了B3-GaN 晶体的各向异性，发现在三个压痕面上的塑 性变形的起始阶段是不同的，（111）面具有最大的硬度。在不同取向面的压痕模拟 下，位错密度是不同的，B3-GaN 中塑性区的尺寸因子与FCC 金属中的尺寸因子 相似。 通过对棱柱形位错环的形成过程进行了研究，发现了两种位错环的形成机理。 一种是类似于“套索”机制的形成机理，两个附着于压痕区域的剪切环会先相互靠近， 之后再分离开来，剪切环的两个螺型位错部分相互吸引、靠近，最后湮灭，形成一 个棱柱形位错环并脱落下来；另一种可以称之为扩展的“套索”机制，一个剪切环的 两个螺型位错部分会运动到另一个剪切环上，之后两个螺型位错会不断靠近，最终 相遇并发生反应，从剪切环上脱落下来，形成一个棱柱形位错环。 通过对孪晶 B3-GaN 晶体进行了研究，探究了孪晶界面对多层膜材料性能的 影响。发现材料的硬度与层厚的函数关系，在层厚为46.8Å 左右时，多层膜的硬度 最大,孪晶界面对材料的性质产生了影响。当层厚小于一定值时，通过IDS 和应力 场分布可以发现界面对位错并没有阻碍作用。 关键词：闪锌矿氮化镓；分子动力学；力学特性；孪晶界面 I 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 Abstract Nowadays, there are comprehensive and complete scientific methods to study the properties of materials at macro-scale, but for nanomaterials, because of its micro-scale and experimental phenomena are difficult to observe, many aspects of research are still in its infancy. Gallium nitride sphalerite has excellent physical and chemical properties, which attracts the eyes of many scientists. It is one of the representatives of the third- generation semiconductor materials, which has significant applications in the field of