【摘要】：本文通過連續(xù)介質理論、第一性原理計算方法和分子力學方法,實現了對多個尺度范圍內納米材料力學、電學性質的模擬。并選取ZnO和銅納米材料為例,分析了摻雜效應、尺寸效應對納米材料力電性質的影響,進一步引入非線性力學研究材料在較大應變范圍內的力學性質。 首先從理論角度研究了不同理論計算及模擬方法所適用的尺度范圍及優(yōu)缺點,實現了對于低維納米材料多維度、多尺度的理論計算與模擬,并對現有計算模擬方法加以改進優(yōu)化。 為研究摻雜效應對ZnO力學和介電性質的影響,研究了純ZnO、In摻雜和Mn摻雜ZnO體材料的力電性質。發(fā)現摻雜對彈性的影響和摻雜的元素有關,In會使彈性常數增大,而Mn的摻雜則會降低；通過總結不同濃度彈性常數的變化規(guī)律,發(fā)現了彈性模量變化率正比于Mn摻雜濃度三次方根；介電常數隨Mn摻雜濃度提高而線性減小。 為研究尺寸效應對體系力電性質的影響,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。并在計入高階項后發(fā)現楊氏模量與應變線性相關。常數項與經典楊氏模量相同,其線性項在6.0nm時數值為-124.4GPa,并隨著尺寸的減小快速增大。線性項數值在3.6nm時由負值變?yōu)檎?在尺寸減小到1.8nm時其數值達到248.8GPa。利用核殼模型解釋了ZnO納米線的介電常數與納米線直徑線性相關的實驗結果。 為研究表面效應對體系力學性質的影響,通過理論推導得出任意方向非線性雙軸泊松比的一般表達式,并通過第一性原理進行驗證。通過對薄膜弛豫特點的討論,計算了0.7～2.9nm厚的無約束銅(001)、(111)面薄膜的雙軸泊松比。弛豫后的薄膜對于雙軸應變的彈性響應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值。得到了薄膜模型總能量和應變之間的關系,提出表面預應變倒數與薄膜層厚成正比關系。得到了更具物理意義的表面彈性常數,并發(fā)現隨層厚度增加,表面彈性常數所帶來的表面效應逐漸降低。
[Abstract]:......
【學位授予單位】：北京科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：TB383.1;O614.241

【共引文獻】

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本文編號：2484003