本文選題：納米線 + 點(diǎn)缺陷擴(kuò)散��； 參考：《南京航空航天大學(xué)》2015年博士論文

【摘要】：納米線是構(gòu)建微納機(jī)電系統(tǒng)(MEMS/NEMS)、新型能量收集、轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)系統(tǒng),以及納尺度超敏傳感器件的重要材料。納米線的力學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)等性能直接決定了它們所在器件的性能能否達(dá)到實(shí)際應(yīng)用要求。人們已經(jīng)進(jìn)行了大量納米線的制備和性能表征研究但其理論還主要基于完美單晶結(jié)構(gòu)。實(shí)際應(yīng)用的納米線結(jié)構(gòu)是處在一個(gè)非常復(fù)雜的多場(chǎng)環(huán)境中,它們之間可能相互耦合;同時(shí),實(shí)際中制備的一維納米結(jié)構(gòu)通常也并非完美,普遍存在各種各樣的缺陷(比如點(diǎn)缺陷、位錯(cuò)等等)。對(duì)于納米結(jié)構(gòu)的多場(chǎng)耦合效應(yīng)以及含缺陷結(jié)構(gòu)的一些非常規(guī)動(dòng)力學(xué)響應(yīng),相關(guān)研究則略顯落后,而這些問(wèn)題都是實(shí)際研究中非常重要且無(wú)法回避的問(wèn)題。本論文通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)、有限元和理論建模方法研究了納米線點(diǎn)缺陷擴(kuò)散導(dǎo)致的特殊力學(xué)響應(yīng),聲子擴(kuò)散過(guò)程調(diào)制帶來(lái)的熱電增強(qiáng)等問(wèn)題。論文的主要貢獻(xiàn)有以下三點(diǎn):1)發(fā)現(xiàn)了含點(diǎn)缺陷的Zn O納米線的超強(qiáng)滯彈性力學(xué)響應(yīng)特性。我們基于理論推導(dǎo)和有限元分析,提出了對(duì)應(yīng)的擴(kuò)散連續(xù)介質(zhì)模型,揭示出這種超強(qiáng)滯彈性力學(xué)行為是由應(yīng)力梯度導(dǎo)致納米線內(nèi)點(diǎn)缺陷長(zhǎng)程擴(kuò)散引起的。納米線的力學(xué)性能隨點(diǎn)缺陷的擴(kuò)散而發(fā)生變化,進(jìn)而呈現(xiàn)出較強(qiáng)的滯彈性現(xiàn)象。相關(guān)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該理論模型的預(yù)測(cè)結(jié)果。同時(shí),我們根據(jù)該模型將傳統(tǒng)的Gorsky遲豫理論擴(kuò)展到包含多種點(diǎn)缺陷的非線性滯彈性理論。2)揭示了納米線力學(xué)響應(yīng)行為與材料性能參數(shù)的關(guān)系。通過(guò)建立和求解耦合點(diǎn)缺陷擴(kuò)散方程和納米線的振動(dòng)方程,論文系統(tǒng)地研究了納米線尺寸與楊氏模量、密度、點(diǎn)缺陷的擴(kuò)散系數(shù)等性能參數(shù)的關(guān)系及其對(duì)納米線力學(xué)響應(yīng)行為的影響。解釋了納米線彎曲釋放后發(fā)生振動(dòng)或緩慢恢復(fù)到伸直平衡位置的不同機(jī)理和控制因素,進(jìn)而定量的研究了納米線振動(dòng)受其中點(diǎn)缺陷擴(kuò)散耦合后的阻尼效應(yīng)。我們的分子動(dòng)力學(xué)模擬計(jì)算驗(yàn)證了該理論模型結(jié)果。3)闡明了表面周期結(jié)構(gòu)對(duì)納米線聲子擴(kuò)散的限制及對(duì)熱電性能的增益。受實(shí)驗(yàn)合成的念珠狀納米線啟示,通過(guò)系統(tǒng)的非平衡分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算模擬發(fā)現(xiàn)了念珠狀的納米線具有較強(qiáng)的聲子局域化效應(yīng),使其具有比光滑納米線更低的熱導(dǎo)率。進(jìn)而提出了一個(gè)簡(jiǎn)化的聲子散射模型,對(duì)該現(xiàn)象進(jìn)行解釋,為設(shè)計(jì)納米線表面形貌優(yōu)化熱電性能提供了理論基礎(chǔ)。本論文的研究結(jié)果為更好地控制一維納米線結(jié)構(gòu)的力學(xué)和熱電行為提供了新的途徑和思路,并可用于指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)和中納米器件的設(shè)計(jì)。
[Abstract]:Nanowires are important materials for building MEMS / NEMS, new energy collection, conversion and storage systems, and nanoscale hypersensitive sensing devices.The mechanical, electrical and thermal properties of nanowires directly determine whether the performance of their devices can meet the practical application requirements.Many researches have been done on the preparation and characterization of nanowires, but the theory is mainly based on the perfect single crystal structure.The nanowire structures used in practice are in a very complex multi-field environment, and they may be coupled with each other; at the same time, the one-dimensional nanostructures prepared in practice are usually not perfect.There are various defects (such as point defects, dislocations, etc.).For the multi-field coupling effect of nanostructures and some unconventional dynamic responses of structures with defects, the related studies are slightly backward, and these problems are very important and unavoidable in practical research.In this paper, the special mechanical response of nanowires due to defect diffusion and thermoelectric enhancement caused by phonon diffusion are studied by molecular dynamics, finite element method and theoretical modeling.The main contributions of this paper are as follows: 1) the super anelastic response of ZnO nanowires with point defects is found.Based on the theoretical derivation and finite element analysis, a corresponding diffusion continuum model is proposed. It is revealed that the super-strong anelastic mechanical behavior is caused by the long-range diffusion of defects in nanowires due to the stress gradient.The mechanical properties of nanowires change with the diffusion of point defects, and then show a strong anelastic phenomenon.The prediction results of the theoretical model are verified by relevant experiments.At the same time, according to the model, we extend the traditional Gorsky theory to nonlinear anelastic theory. 2) We reveal the relationship between the mechanical response behavior of nanowires and the properties of materials.By establishing and solving the coupling point defect diffusion equation and the vibration equation of nanowires, the dimensions and Young's modulus and density of nanowires are systematically studied in this paper.The relationship between the diffusion coefficient and other properties of point defects and its influence on the mechanical response behavior of nanowires.The different mechanisms and controlling factors of the vibration or slowly restoring to the equilibrium position of the nanowires after bending release are explained, and the damping effect of the vibration of nanowires subjected to the diffusion coupling of the point defects in the nanowires is studied quantitatively.Our molecular dynamics simulations verify the theoretical model. 3) the limitation of surface periodic structure on nanowire phonon diffusion and its gain on thermoelectric properties are illustrated.Inspired by the experimental synthesis of monilide nanowires, it is found that the rosary nanowires have a strong phonon localization effect and have lower thermal conductivity than smooth nanowires through systematic non-equilibrium molecular dynamics simulation.Furthermore, a simplified phonon scattering model is proposed to explain the phenomenon, which provides a theoretical basis for the design of nanowires surface morphology optimization thermoelectric properties.The results of this paper provide a new approach and train of thought for better controlling the mechanical and thermoelectric behavior of one-dimensional nanowire structures, and can be used to guide the design of experimental and mid-nanometer devices.
【學(xué)位授予單位】：南京航空航天大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TB383.1

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本文編號(hào)：1761776