本文選題：納米線 + 點缺陷擴散��； 參考：《南京航空航天大學》2015年博士論文

【摘要】：納米線是構建微納機電系統(tǒng)(MEMS/NEMS)、新型能量收集、轉換和存儲系統(tǒng),以及納尺度超敏傳感器件的重要材料。納米線的力學、電學、熱學等性能直接決定了它們所在器件的性能能否達到實際應用要求。人們已經(jīng)進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構。實際應用的納米線結構是處在一個非常復雜的多場環(huán)境中,它們之間可能相互耦合;同時,實際中制備的一維納米結構通常也并非完美,普遍存在各種各樣的缺陷(比如點缺陷、位錯等等)。對于納米結構的多場耦合效應以及含缺陷結構的一些非常規(guī)動力學響應,相關研究則略顯落后,而這些問題都是實際研究中非常重要且無法回避的問題。本論文通過分子動力學、有限元和理論建模方法研究了納米線點缺陷擴散導致的特殊力學響應,聲子擴散過程調制帶來的熱電增強等問題。論文的主要貢獻有以下三點:1)發(fā)現(xiàn)了含點缺陷的Zn O納米線的超強滯彈性力學響應特性。我們基于理論推導和有限元分析,提出了對應的擴散連續(xù)介質模型,揭示出這種超強滯彈性力學行為是由應力梯度導致納米線內點缺陷長程擴散引起的。納米線的力學性能隨點缺陷的擴散而發(fā)生變化,進而呈現(xiàn)出較強的滯彈性現(xiàn)象。相關實驗驗證了該理論模型的預測結果。同時,我們根據(jù)該模型將傳統(tǒng)的Gorsky遲豫理論擴展到包含多種點缺陷的非線性滯彈性理論。2)揭示了納米線力學響應行為與材料性能參數(shù)的關系。通過建立和求解耦合點缺陷擴散方程和納米線的振動方程,論文系統(tǒng)地研究了納米線尺寸與楊氏模量、密度、點缺陷的擴散系數(shù)等性能參數(shù)的關系及其對納米線力學響應行為的影響。解釋了納米線彎曲釋放后發(fā)生振動或緩慢恢復到伸直平衡位置的不同機理和控制因素,進而定量的研究了納米線振動受其中點缺陷擴散耦合后的阻尼效應。我們的分子動力學模擬計算驗證了該理論模型結果。3)闡明了表面周期結構對納米線聲子擴散的限制及對熱電性能的增益。受實驗合成的念珠狀納米線啟示,通過系統(tǒng)的非平衡分子動力學計算模擬發(fā)現(xiàn)了念珠狀的納米線具有較強的聲子局域化效應,使其具有比光滑納米線更低的熱導率。進而提出了一個簡化的聲子散射模型,對該現(xiàn)象進行解釋,為設計納米線表面形貌優(yōu)化熱電性能提供了理論基礎。本論文的研究結果為更好地控制一維納米線結構的力學和熱電行為提供了新的途徑和思路,并可用于指導實驗和中納米器件的設計。
[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.
【學位授予單位】：南京航空航天大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TB383.1

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本文編號：1761776