【摘要】：本文通過連續(xù)介質(zhì)理論、第一性原理計(jì)算方法和分子力學(xué)方法,實(shí)現(xiàn)了對(duì)多個(gè)尺度范圍內(nèi)納米材料力學(xué)、電學(xué)性質(zhì)的模擬。并選取ZnO和銅納米材料為例,分析了摻雜效應(yīng)、尺寸效應(yīng)對(duì)納米材料力電性質(zhì)的影響,進(jìn)一步引入非線性力學(xué)研究材料在較大應(yīng)變范圍內(nèi)的力學(xué)性質(zhì)。 首先從理論角度研究了不同理論計(jì)算及模擬方法所適用的尺度范圍及優(yōu)缺點(diǎn),實(shí)現(xiàn)了對(duì)于低維納米材料多維度、多尺度的理論計(jì)算與模擬,并對(duì)現(xiàn)有計(jì)算模擬方法加以改進(jìn)優(yōu)化。 為研究摻雜效應(yīng)對(duì)ZnO力學(xué)和介電性質(zhì)的影響,研究了純ZnO、In摻雜和Mn摻雜ZnO體材料的力電性質(zhì)。發(fā)現(xiàn)摻雜對(duì)彈性的影響和摻雜的元素有關(guān),In會(huì)使彈性常數(shù)增大,而Mn的摻雜則會(huì)降低；通過總結(jié)不同濃度彈性常數(shù)的變化規(guī)律,發(fā)現(xiàn)了彈性模量變化率正比于Mn摻雜濃度三次方根；介電常數(shù)隨Mn摻雜濃度提高而線性減小。 為研究尺寸效應(yīng)對(duì)體系力電性質(zhì)的影響,研究了在1.8nm到6.0nm直徑的一維ZnO納米線的楊氏模量和1.8nm到10nm直徑ZnO納米線靜態(tài)介電常數(shù)。并在計(jì)入高階項(xiàng)后發(fā)現(xiàn)楊氏模量與應(yīng)變線性相關(guān)。常數(shù)項(xiàng)與經(jīng)典楊氏模量相同,其線性項(xiàng)在6.0nm時(shí)數(shù)值為-124.4GPa,并隨著尺寸的減小快速增大。線性項(xiàng)數(shù)值在3.6nm時(shí)由負(fù)值變?yōu)檎?在尺寸減小到1.8nm時(shí)其數(shù)值達(dá)到248.8GPa。利用核殼模型解釋了ZnO納米線的介電常數(shù)與納米線直徑線性相關(guān)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。 為研究表面效應(yīng)對(duì)體系力學(xué)性質(zhì)的影響,通過理論推導(dǎo)得出任意方向非線性雙軸泊松比的一般表達(dá)式,并通過第一性原理進(jìn)行驗(yàn)證。通過對(duì)薄膜弛豫特點(diǎn)的討論,計(jì)算了0.7～2.9nm厚的無約束銅(001)、(111)面薄膜的雙軸泊松比。弛豫后的薄膜對(duì)于雙軸應(yīng)變的彈性響應(yīng)隨層厚和薄膜取向不同而變化。表面原子層的雙軸泊松比大于體材料數(shù)值。得到了薄膜模型總能量和應(yīng)變之間的關(guān)系,提出表面預(yù)應(yīng)變倒數(shù)與薄膜層厚成正比關(guān)系。得到了更具物理意義的表面彈性常數(shù),并發(fā)現(xiàn)隨層厚度增加,表面彈性常數(shù)所帶來的表面效應(yīng)逐漸降低。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：北京科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號(hào)】：TB383.1;O614.241

【共引文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2484003