金纳米线变形行为的分子动力学模拟

摘要

金属纳米线具有优异的机械强度和电学性能，在电子器件小型化方面具有巨大的应用潜力。这些性质的实验研究是困难的，因为他们的规模和复杂的实验在这样的长度尺度。基于经典分子动力学模拟的计算技术(使用LAMMPS)为理解这种纳米线的力学变形行为提供了一种有效的方法，具有相当的准确性和可预测性。在本研究中，我们利用经典分子动力学模拟(LAMMPS)讨论了金纳米线在拉伸载荷下的变形行为。详细研究了应变速率和温度对纳米线屈服强度的影响。并对其变形机理进行了讨论。

1.介绍

近年来，纳米材料因其独特的力学、电学、光学等性能而受到广泛关注。金属纳米线作为一种典型的纳米材料，在制备纳米机电系统以及生物医学、光学和电子器件方面具有广阔的应用前景。纳米线由于其高的表面体积比，提供了独特的机械和结构性能，在一些感兴趣的领域，如微型电子互连(纳米晶体管)，纳米传感器的功能组件，高灵敏度纳米电极，扫描隧道尖端，原子力显微镜[1-4.]．为了了解纳米线的机械性能，重要的是要在不同的负载条件下了解它们的变形机制。Volkert和Lilleodden通过实验研究了亚微米金柱变形的尺寸效应[5.]．朱等人[6.]用扫描电子显微镜(SEM)对直径在34 ~ 130 nm之间的Ag NWs进行了原位拉伸试验。杨氏模量、屈服强度和极限抗拉强度随NW直径的减小而增大。Ag NWs的最大屈服强度为2.64 GPa。Lee等人[7.[表演了组合的TEM和MD模拟研究，分析了在[110]的单轴载荷期间发生特定变形机制的条件。由于在纳米线的长度尺度下执行实验需要复杂的仪器，并且结果总是容易出错，因此可以使用计算机模拟，而是可以使用成本效益，并且会有自由度来试验参数来观察正在调查的现象。，否则将非常困难实验。

在理论上理解金属NWS在Landman等人的开创性工作后开始的行为。[8.]．它们使用计算机模拟表明，在拉伸时，薄金属STM尖端在扁平金属表面上的触点产生的一系列连续阶段的弹性变形，原子排列最终导致原子薄NWS的形成。Park等人。[9.]使用MD模拟，表明NI STM尖端对金表面上的NI STM尖端产生非常薄的NW。Wu等人。[10.]研究了铜纳米线的拉伸行为，发现铜纳米线的强度高于大块铜金属。梁和周[11.使用LAMMPS的动态拉伸变形中Cu纳米线的响应。他们发现屈服应力随试样尺寸而降低并随装载速率而增加。Yuhang等人。[12.借助MD模拟研究了Si纳米线的变形和熔化行为。Branício和rino [13.和Wen等人[14.使用MD模拟研究了Ni纳米线中的变形行为。他们发现表面效应允许较大的横截面纳米线支持比较小的菌株的更大的应力。Wang等人。[15.]研究了温度和拉伸速率对变形行为的依赖关系。Koh等人[16.]研究了铂纳米线的变形行为及其与温度和应变速率的关系。窦和德比[17.[Au纳米线和纳米多孔金中的变形机制研究。他们比较了Au micropillars /纳米线和纳米多孔金的强度的比例依赖性[18.[已经表明，对于两组样本，屈服强度和长度之间的相关性显示相当相当的相似性。Pu等人。[19.]研究了各种半经验势在金纳米线变形MD研究中的适用性。帕克和齐默尔曼[20.]还提出了在金纳米线受拉伸应力变形过程中形成稳定的纳米桥。Gall等人[21.]讨论了金纳米线的屈服强度不对称性。

如上文献综述所述，几位研究人员研究了具有不同长宽比的金纳米线的变形行为的各个方面。在本研究中，我们只选择了以前没有考虑过的金纳米线的直径和长度组合(长宽比)。这一选择背后的动机是为已有的金纳米线变形行为的知识提供一些有用的信息。我们使用经典的分子动力学模拟器LAMMPS模拟了不同加载条件下的Au纳米线，如应变率和温度。部分2解释了模拟的基本方法，然后是部分3.关于仿真结果。最后一节讨论了当前工作的结论。

2.仿真方法

在本作工作中，使用经典分子动力学模拟器LAMMPS研究了纵横比（长/直径）6的圆柱形Au纳米线的变形行为。使用射击潜在函数在LAMMPS中建模了成对交互。定期边界条件沿着施加应变的方向施加（方向）。在100K温度下使用NVT集合进行了所有模拟。

结果

仿真参数如表所示1．模拟主要以100克进行。在将应变施加到电线之前，系统平衡为大约75 ps。电线平衡后，纵向应变率为10^9.年代^-1是应用的已经计算了方向，并且已经计算了所得到的纵向应力。

在图中提供了显示不同时间的Au纳米线变形的快照1．这张图显示了纳米线中的应力随应变的变化。从图中快照放置的应力-应变图1，我们看到变形区域非常小，这证实了纳米晶材料与粗晶材料相比具有较低的延性[22.]．屈服应力被发现为7.8％的菌株为1.08GPa。在进一步突出纳米线之后，应力突然下降到较小的值（但不是零）信号传递塑性变形的启动并随后纳米线的强度损失。由于纳米线没有破裂，因此应变再次增加应力（与屈服应力相比）显而易见的是，预期在骨折之前将在菌株进一步继续。几项研究指出，纳米线中的变形机制可能是由于变形缠绕或位错滑动，这取决于材料，应变率和温度，但具体了解这仍然是争论的问题。通常，变形Twinning在低温下突出，并且在相对高的温度下发生高应变率和位错滑。

3.1。应变率的影响

当应变速率较高时，位错的生成速率要快于位错的湮没速率。这会导致材料硬化，从而导致纳米线强度增加。数字2描绘应变率对Au纳米线强度的影响。我们认为，随着应变率增加，产量应力也伴随着增加。我们还认为，随着应变率增加，断裂菌株也增加。

表格2总结了图中对应的屈服应力和屈服应变值2．

3.2。温度的影响

温度对屈服应力和菌株的影响已显示在图中3.．我们可以看到，随着温度的升高，屈服应力减小。屈服应变似乎与温度的关系不大。屈服应力随温度升高而减小的原因可能是位错运动对温度的依赖性。在纳米线变形过程中，位错形核导致的动态硬化和位错攀爬导致的恢复可能同时发生。表格3.总结了屈服应力和应变值随温度的变化规律。

4。结论

使用经典分子动力学模拟器局部研究了Au纳米线的变形行为。Au原子之间的相互作用已经使用EAM电位进行建模。纳米线通过施加均匀的单轴应变而变形已经计算了在纳米线中产生的方向和相应的应力。已经观察到纳米线中的延展性的丧失（与粗粒粒子相比），这也被Koch报道了[22.]．当应变速率增加时，由于菌株硬化现象，纳米线的屈服应力和含量增加。在相同应变率下的模拟温度的增加降低了纳米线的屈服应力，而不会显着影响产量应变。在较高温度下纳米线的强度损失可能是由于脱位成核的速率更快地恢复了材料。在本研究中，由于先前的研究，因此尚未考虑表面能量对Au纳米线变形行为的影响[23.其中作者观察到，直径为10nm作为阈值，下面的表面能随着直径的降低而降低。如果我们已经研究了纳米线的熔化行为，因此表面能量的作用是显着的，因为它比表面原子和表面能量大于体积中的原子的依赖性。表面能实际上是与表面松弛连接的表面弹性能量，其由环境温度诱导。这就是表面能量影响熔化行为的原因超过变形行为。

数据可用性

用于支持本研究结果的数据可根据要求可从相应的作者获得。

的利益冲突

作者声明不存在利益冲突。

参考文献

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