Кристаллическая ориентация

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 3532 (2023) Цитировать эту статью

1092 доступа

Подробности о метриках

Механизмы деформации кристалла и механическое поведение в полупроводниковых нанопроволоках (ННК), в частности ННК ZnSe, демонстрируют сильную ориентационную зависимость. Однако о механизмах деформации растяжения для различных ориентаций кристаллов известно очень мало. Здесь с использованием молекулярно-динамического моделирования исследуется зависимость ориентации кристаллов от механических свойств и механизмов деформации ННК ZnSe из цинковой обманки. Мы обнаружили, что прочность на разрушение ННК ZnSe с ориентацией [111] выше, чем у ННК ZnSe с ориентацией [110] и [100]. ННК ZnSe квадратной формы демонстрируют большую ценность с точки зрения прочности на излом и модуля упругости по сравнению с шестиугольной формой при всех рассмотренных диаметрах. С повышением температуры напряжение разрушения и модуль упругости резко уменьшаются. Замечено, что плоскости {111} являются плоскостями деформации при более низких температурах для ориентации [100]; и наоборот, когда температура повышается, плоскость {100} активируется и играет роль второй главной плоскости спайности. Самое главное, что ННК ZnSe с направлением [110] демонстрируют наибольшую чувствительность к скорости деформации по сравнению с другими ориентациями из-за образования множества различных плоскостей спайности с увеличением скорости деформации. Рассчитанная функция радиального распределения и потенциальная энергия на атом дополнительно подтверждают полученные результаты. Это исследование очень важно для будущей разработки эффективных и надежных наноустройств и наномеханических систем на основе ННК ZnSe.

Недавно экспериментально1,2 и теоретически3,4 было продемонстрировано, что механическое поведение полупроводниковых нанопроволок (ННК) демонстрирует сильную ориентационную зависимость. Значительные анизотропные механические свойства в различных ориентациях кристаллов наблюдаются в системах NW5,6,7. Другие физические свойства, включая электро- и теплопроводность, пьезоэлектрическую поляризацию, показатель преломления, поверхностную реактивность и запрещенную зону, можно точно изменить, контролируя направления роста кристаллов2,8,9,10. Существуют различия между боковыми поверхностями ННК вюрцита/цинковой обманки, которые растут в разных направлениях. Эти различия могут существенно изменить механизм деформации за счет полного и частичного скольжения дислокаций и деформационного двойникования11,12,13,14,15. Более того, когда ориентация кристалла связана с температурой и скоростью деформации, в ННК возникают разные механизмы деформации из-за конкуренции между глобальными и локальными деформациями, изменения активации разных плоскостей и влияния несоответствия межплоскостных расстояний16,17,18,19,20 , 21. Таким образом, более глубокое понимание свойств, зависящих от ориентации кристаллов, имеет важное значение для производства и функциональности ННК в их реальных приложениях.

С другой стороны, уникальные применения, микроскопическая физика и производство наноразмерных устройств, таких как лазерные диоды, фотодетекторы, полевые транзисторы (FET) и солнечные элементы, делают полупроводниковые ННК чрезвычайно перспективными в этих областях исследований. В частности, ННК ZnSe из смеси цинка22 привлекли значительное внимание как наноэлектронные материалы следующего поколения благодаря своим выдающимся характеристикам механической гибкости, коэффициенту пропускания, проводимости и недорогому синтезу23,24,25,26. Кроме того, прямая запрещенная зона (~ 2,7 эВ), высокий коэффициент поглощения, подходящая электроотрицательность и уникальные нелинейные свойства цинковой обманки ZnSe делают ее потенциально важным материалом для синей генерации, оптических волноводов, термоэлектрических систем, светоизлучающих диодов и т. д. наносенсоры, наноактюаторы, нанорезонаторы и магнитные накопители информации27,28,29,30,31,32,33,34,35,36,37. Однако, несмотря на значительные усилия по оценке электронных, тепловых и оптических характеристик ННК ZnSe из цинковой обманки, как в теории23,24,26,38,39, так и в экспериментах40,41,42,43,44,45,46, насколько нам известно, исследования их механических свойств не проводились. В частности, в литературе не описаны механизмы деформации растяжения для различных ориентаций кристаллов. Кроме того, также неизвестно изменение механической прочности при различных внешних переменных, таких как температура и скорость деформации в сочетании с ориентацией.