多元低维纳米系统的相变、力学与电学性能研究

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近年来，低维纳米系统的纳米元器件的研究和应用激起了人们浓厚的兴趣。其中基于一维氧化锌纳米线压电效应的纳米发电机被认为是解决了许多其它纳米器件的能源供应题目而备受关注。考虑到压电效应与力学行为密切相关，且氧化锌在机械载荷下容易出现相变，导致压电性能丧失，因此本论文研究了一维氧化锌纳米线的相变和力学性能；由于压电效应输出电场小，且力学输入引起的材料极化在机械外载完全撤除后不能保留，即不能产生记忆功能。为了达到高速度存取数据的目的，人们更感兴趣的是利用二维钛酸钡纳米薄膜的铁电性能来制造存储器，但是氧缺位会造成残余极化强度保持力下降，致使数据不能存储或造成已存储数据的丢失，因此本论文也研究了氧缺位对钛酸钡二维纳米薄膜铁电性能的影响。本论文使用分子动力学(MD)研究了横截面尺寸从1.95 nm到4.55 nm的氧化锌纳米线在沿[0001]晶向做单轴拉伸时的力学行为。发现其从纤锌矿结构到四角结构的相变。研究表明当纤锌矿结构纳米线所承受的载荷达到某临界值时(称为相变临界成核应力)，纳米线内部开始析出四角结构晶核，并伴随着应力的陡峭下降迅速完成相变。采用径向分布函数技术对四角结构的晶格常数进行了表征。相变临界成核应力与纳米线的尺寸及温度相关。当纳米线的尺寸从1.95 nm增加到4.55 nm，相变临界成核应力21.90 GPa减小到16.50 GPa，降低了25%。当温度从300 K升高到1500 K，相变成核应力从17.89 GPa减小到2.19 GPa，降低了87.8%。考虑到MD使用经验性的原子间相互作用势来描述原子间的相互作用，为了验证MD结果的可靠性，使用密度泛函理论对两相构形的Gibbs自由能进行了分析并得到与MD一致的结果，密度泛函计算表明：沿[0001]晶向应力高于7 GPa时，四角结构的自由能比纤锌矿结构的自由能低。受MD计算时间消耗过大与模拟空间尺寸较小限制，为了和同等横截面尺寸纳米线的实验结果进行比较，采用分子统计热力学(MST)研究了横截面尺寸达17.5 nm纳米线的单轴拉伸行为，该尺寸为迄今为止实验室实际测量尺寸的下限。该尺寸纤锌矿结构杨氏模量的计算值217 GPa仅与实验值221 GPa存在1.8%的误差，并且纤锌矿结构的杨氏模量尺寸效应趋势的计算结果与实验测量结果一致。在横截面尺寸较大的情形下，相变后纳米线趋向于向多晶结构发展并造成破坏强度大幅度降低，随横截面尺寸从1.95 nm增加到17.5 nm，破坏强度从28.2 GPa降低到9.44 GPa，降低了66.5%。上述纳米线力学性能的尺寸效应源于在横截面尺寸较小的情况下，较高的表体比导致的表面作用在纳米线内部诱导出了极大的压缩型应力，从而限制原子的运动使变形不易发生；纳米线力学性能温度效应的机理在于高温下纳米线内原子具有较高的活动性，在较少的外界能量输入下就容易产生四角结构晶核或者脱离晶格束缚形成缺陷，从而导致相应力学性能数值降低。该研究的意义在于：(1) 采用MD、DFT和MST研究了沿不同晶向氧化锌在机械外载下的相变规律，首次发现了氧化锌的第六种相-四角结构；(2) 由于单轴拉伸应变达7.5%左右时出现相变，从而得出纳米发电机输出电场极限为3.7 V/nm；(3) 从原子层面解释了纤锌矿结构氧化锌纳米线杨氏模量的尺寸效应，并得到与实验一致的结论。此外，采用分子动力学研究了氧缺位对表面为(001)晶面，厚度为10 nm的铁电性钛酸钡纳米薄膜残余极化强度保持力的影响。研究表明当平行于(101)晶面的氧缺位阵列沿[001]和[010]晶向的尺寸分别小于等于6和4个晶胞后，材料的残余极化强度为0。此外对氧缺位浓度较小情形下成对缺位和完全离散形缺位的研究表明，浓度并非引起保持力下降的原因，氧缺位阵列才是是造成钛酸钡纳米薄膜残余极化强度保持力下降的诱因。而较少的氧缺位会使材料的铁电性能有所增强，表现为与无缺位情形相比有较大的残余极化强度、矫顽力以及饱和电场。由于氧缺位改变了晶胞内的电结构，有缺位的晶胞与其它邻近偶极子的作用在缺位阵列尺寸较小时的自发极化，诱发了一种头对头畴壁的形成与运动，从而造成外电场撤除后，体系的净残余极化强度为零。这与氧缺位阵列尺寸较大或者无氧缺位时电畴的切换和重定向方式完全不同。该研究的意义在于：(1) 首次就氧缺位的不同排布方式对钛酸钡纳米薄膜铁电性能的影响进行了研究，给出了净残余极化强度为零时氧缺位阵列的极限尺寸；(2) 从氧缺位不同排布方式时不同的电畴切换和重定向模式角度，解释了残余极化强度降低的机理。

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