论文部分内容阅读
在物质科学中，“结”是由两个或多个部分相接触并形成特定界面的结构。宏观的结，如PN结，MOS结等已经在科学研究和现实生活中发挥了不可替代的作用。而纳米结作为纳米科学技术中的良好研究平台，已经在分子电子传递、介观电子输运以及界面效应研究等诸多方面展现了巨大潜力。由于纳米尺度的特殊性，影响因素相互交织，诸多变量难以分离，传统的实验方法对纳米结的制备和表征都有许多局限，迫切需要人们从理论上探讨纳米结的制备过程和独特性质。本文围绕这一需求，首先介绍了纳米结的实验研究和理论模拟现状，并开展了如下几方面的工作：
1.适于纳米仿真的超大规模分子动力学算法为了适应以纳米结为代表的纳米仿真的对模拟速度的极端需求，我们用C++语言实现了一种高性能的分子动力学算法，构建了NanoMD仿真平台。在许多纳米工程过程中，自由边界条件是必须采用的。因此，使用了链表和动态数组两种数据结构以保证模拟的可靠性和精度。此外，在程序中将Verlet列表(Verlet table)和Cell连锁表(cell-linked list)两种算法加以结合，加速了邻近列表(neighbor list)的构建和更新过程。通过以上的方法，实现了在普通的单CPU微型计算机上仿真含有数百万原子的纳米工程体系的目标。如果将本方法加以并行化，则可以在PC集群上实现上亿原子规模的模拟。
2.基于密度分布矩阵的大规模仿真体系表征方案大规模体系仿真结果的有效表征是将分子动力学应用到纳米工程的又一瓶颈问题。常用的直接显示、键对分析和径向分布函数等基于原子位置的表征手段或者消耗计算机资源过大，无法用于超大规模体系；或者无法充分表征体系的局部细节；或者中间数据文件较大，对仿真过程的细节无法详细表征。为解决以上问题，我们在第三章中提出了基于密度分布矩阵的两种表征方案。对于准一维体系，可以用MATLAB语言编程，采用傅立叶变换技术快速分析仿真结果，判定结晶程度、晶粒取向等信息。对于超大规模的三维体系，则可以首先为分子动力学程序添加分析模块，即时生成较小的中间数据文件，最后再用MATLAB编程处理得到最终表征结果。在采用欠采样等技术后，可以较为充分的表征大规模体系而不致引起内存溢出。
3.单轴拉伸下双晶纳米结中的界面效应在完成仿真平台的构筑并拥有了适当的分析表征方法之后，我们就可以系统地开展纳米结的仿真工作。较强的表界面效应是纳米尺度物质的，因此首先在第四章中研究了[110]‖[100]、[111]‖[100]和[111]‖[110]三种双晶铜纳米结的界面效应。结果表明，双晶纳米结的拉伸断裂特性确实受到双晶界面的重大影响。界面效应主要表现在拉伸过程中原始晶粒的晶向扭转过程中。界面作用越强，晶向扭转的范围就越大。对于产生了晶向扭转的纳米结，沿着扭转区/非扭转区的交界线(“次生交界线”)发生裂纹形核过程，并最终在次生交界线附近断裂。这与单晶拉伸的滑移断裂机理有显著不同，并可能导致晶粒沿[111]晶向抗张强度的下降。对于微纳机电系统来说，(110)和(100)表面可能是一对较理想的接触面。
4.不同拉伸速率下单晶金断裂结制备的初步理论研究最后，我们以实际进行的实验为背景，仿真了不同拉速下单晶金的机械控制断裂结形成过程。仿真的范围包括准平衡态拉伸断裂和非平衡态拉伸断裂。结果表明，纳米间隙的长度随拉伸速率的降低而减小。当拉伸速率从122.4 m/s减小到0.612 m/s时，间隙从约3.0 nm减小到约1.3 nm。在纳米间隙形成过程中，其长度将先快速增长，而后可能发生幅度较小的阶梯式增长，最终稳定。我们发现这两种方式分别属于快速重结晶机理和针尖重构机理。据此可以预计当拉伸速率降到实验水平时，将只发生阶梯式增长，从而得到亚纳米级的间隙。这与实验结果完全符合，也证明了我们所提出的模拟方法以及分析手段的可靠性。