杂质作用下硅纳米线机械特性变化的数值模拟研究

Silicon nanowires (SiNW) are widely applied in nano-electro-mechanical systems (NEMS). The effects of impurities on the mechanical properties of SiNW are directly related to its performance and reliability. In this project, molecular dynamics and first principles calculations are performed to investigate the effects of typical impurity elements, gold and phosphorus, on the mechanical responses of SiNW under external loading. Firstly, the basic physical values of Si-impurity compounds are obtained by first principles calculation, based on which the modified embedded potential method (MEAM) potentials are optimized by genetic algorithm. Secondly, MEAM potentials are employed to find out the influences of impurities on the mechanical properties of SiNW, including bending strength, plasticity/brittleness, resonant frequency etc. In order to confirm the plastic behavior of SiNW and corresponding physical mechanism, first principles calculation is used to simulate the structural evolution of SiNW exposed to static strain. Finally, the bending tests are carried out on the SiNW with different doping concentrations to verify the rationality of numerical calculations and the revealed mechanisms. Through this work, it is expected to elucidate how the dopant elements, gold and phosphorus, affect the bending properties of SiNW, which provides theoretical supports for the design, application and failure mechanism analysis of related products, and offer technical references for studying mechanical modifications by introducing impurities for nano-wires made from other materials.

硅纳米线在纳米机电系统（NEMS）中应用广泛，杂质对其机械特性的影响直接关系到相关产品的性能和可靠性。本项目采用分子动力学和第一性原理计算研究典型杂质元素金和磷对硅纳米线机械特性的影响。首先，由第一性原理计算获取硅-杂质化合物的基础物理性质，用遗传算法参照这些基础物理量优化多元素体系的修正嵌入式势函数（MEAM）。其次，用MEAM势函数研究杂质对硅纳米线弯曲强度、塑脆性、谐振频率等机械特性的影响，并揭示其中的微观机制。为确认纳米级硅结构受拉或受弯是否存在塑性行为并探明相应的机理，采用第一性原理计算对纳米硅结构开展静应变模拟。最后，对不同掺杂浓度的硅纳米线开展弯曲测试，验证数值模拟结果的正确性和机理解释的合理性。通过本项目，有望阐明金和磷对硅纳米线机械特性的影响和微观机制，为相关产品的设计、使用以及失效机理分析提供理论支持，并为研究其他材料的纳米线在杂质作用下机械特性的变化提供技术参考。

微纳结构的特征尺寸可低至纳米级，存在特有的尺寸效应、表面效应、量子效应、光电特性等，近年来发展迅猛，在超高灵敏探测和传感领域极具应用前景。微纳结构的可靠性是微纳器件设计和制造工艺的重要基础。本项目以一种具有代表性的纳米结构，即纳米线为研究对象，利用第一性原理计算和分子动力学研究了典型杂质对其力学特性的影响，主要研究内容和结论如下：. （1）纳米硅的开裂涉及到键的断裂和重组，需用基于量子力学的第一性原理计算进行研究。杂质硼、锗有助于阻止(1 1 1)[1 0]裂纹的开裂，而砷的作用与之相反。以上结论对硅基微纳米结构的表面强化、杂质选用等等提供了参考依据。. （2）对另一种解理裂纹(1 1 0)[0 0 1]，杂质硼使之更容易扩展。这也是表面重构造成的，杂质硼在能量上更倾向于屈曲型表面的谷底，因而与之相关的键更容易断裂。在(1 1 0)[1 0]裂纹中，杂质硼能够促进裂纹向(1 1 1)面倾斜。这是因为杂质硼是受体元素，会集聚电子，使周围的硅-硅键弱化，那么裂纹尖端会偏向邻近的较弱的键。. （3）对于以上两种具有代表性的解理裂纹，硼使其尖端位置更容易产生塑性变形。对于(1 1 1)[1 0]裂纹，杂质硼使上断面更易转化为Pandey构型，进而产生更大的5原子环和7原子环交错排列的区域。 (1 1 0)[0 0 1]裂纹是否出现塑性变形，有赖于杂质B的位置。若其位于原纯硅(1 1 0)[0 0 1]裂纹的屈曲型断面的“谷峰”位置，这将导致相对更为剧烈的表面局部重构，进而产生塑性变形。. （4）对于纳米线的振动特性，近似认为其形变在弹性范围内，因而采用分子动力学进行研究。杂质金是硅纳米线制造工艺中易引入的杂质。通过振动数值模拟发现，杂质金能够显著降低其固有频率。这一特性主要与杂质金的浓度有关，而杂质金的分布对其影响不大。.后续工作中，可在本项目的基础上研究表面吸附对纳米线振动特性的影响，向有毒气体探测、生物菌体识别等方向拓展。