Bi2Te3熱電材料力學(xué)性能的分子動(dòng)力學(xué)研究.pdf

1、熱電材料是可以將熱能和電能直接轉(zhuǎn)換的材料,多用于半導(dǎo)體制冷和發(fā)電。Bi2Te3基化合物是室溫下性能最好的熱電材料,也是研究最早最成熟的熱電材料之一。隨著納米技術(shù)的發(fā)展,近年來(lái)有關(guān)在低維材料中取得高熱電優(yōu)值的報(bào)道不斷出現(xiàn)。將材料的晶粒細(xì)化到納米級(jí),可以提高熱電性能。目前關(guān)于Bi2Te3材料的力學(xué)性能尤其是納米材料的分子動(dòng)力學(xué)研究還是一個(gè)比較新的課題,國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究報(bào)道較少。對(duì)這一問(wèn)題的研究是材料學(xué)及力學(xué)工作者較為關(guān)注的課題。利用分子動(dòng)力學(xué)

2、,我們可以獲得Bi2Te3材料的微觀力學(xué)信息,為進(jìn)一步了解Bi2Te3材料在低維化條件下的材料性能提供了科學(xué)有效的依據(jù)。
　　 本文根據(jù)Huang和Kaviany等人建立的Bi2Te3多體勢(shì)函數(shù)利用分子動(dòng)力學(xué)方法模擬了Bi2Te3單晶塊體、納米薄膜和納米線的拉伸,研究了拉伸過(guò)程中溫度、應(yīng)變率和尺寸等因素對(duì)其力學(xué)性能和力學(xué)行為的影響。
　　 首先,根據(jù)Bi2Te3材料的晶體結(jié)構(gòu)以及成鍵模型分析了Bi2Te3中原子間的相互作

3、用情況。對(duì)現(xiàn)有Bi2Te3的勢(shì)函數(shù)進(jìn)行分析,選擇Huang等人建立的Bi2Te3多體勢(shì)函數(shù)模型。描述了Bi2Te3單晶材料在LAMMPS軟件中的分子動(dòng)力學(xué)模擬實(shí)施過(guò)程。在此基礎(chǔ)之上對(duì)Bi2Te3多體勢(shì)函數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證,計(jì)算了1到600K溫度范圍內(nèi)徑向分布函數(shù)、晶格常數(shù)、熱膨脹系數(shù)以及彈性常數(shù)等參數(shù),發(fā)現(xiàn)與其他研究者的實(shí)驗(yàn)和理論值較為吻合,說(shuō)明該勢(shì)函數(shù)能夠準(zhǔn)確地描述Bi2Te3材料的力學(xué)性質(zhì)。
　　 在對(duì)Bi2Te3的多體勢(shì)驗(yàn)證之后,

4、進(jìn)行了單晶塊體、納米薄膜和納米線的單軸拉伸模擬。在Bi2Te3單晶塊體的拉伸模擬過(guò)程中發(fā)現(xiàn),對(duì)于不同晶向的拉伸Bi2Te3塊體都表現(xiàn)為脆性斷裂,但具體破壞形式不同,對(duì)應(yīng)的極限強(qiáng)度以及破壞應(yīng)變也不同。受溫度的影響,Bi2Te3單晶塊體的彈性模量、極限強(qiáng)度和破壞應(yīng)變隨著溫度的升高而降低。
　　 在Bi2Te3納米薄膜的拉伸模擬過(guò)程中發(fā)現(xiàn),通過(guò)計(jì)算徑向分布函數(shù)發(fā)現(xiàn)薄膜和塊體的晶體結(jié)構(gòu)相同,但是薄膜原子排列的有序性降低。與塊體相比薄膜沿

5、厚度方向上能量和應(yīng)力分布不均:表層原子的能量較高,且表現(xiàn)為拉應(yīng)力;內(nèi)層原子的能量較低,呈壓應(yīng)力。而塊體沿厚度方向的能量和應(yīng)力分布均勻。由此考察了表面效應(yīng)對(duì)Bi2Te3納米薄膜力學(xué)性能的影響。比較納米薄膜和塊體的應(yīng)力應(yīng)變曲線發(fā)現(xiàn),薄膜的彈性模量較塊體有較大的降低,而強(qiáng)度和破壞應(yīng)變也略有降低。分析薄膜在拉伸過(guò)程中的原子構(gòu)型發(fā)現(xiàn)與相同晶向的塊體拉伸斷裂形式基本一致。受溫度的影響,Bi2Te3納米薄膜的彈性模量、極限強(qiáng)度和破壞應(yīng)變隨著溫度的升高

6、而降低。對(duì)不同厚度薄膜進(jìn)行拉伸模擬發(fā)現(xiàn),隨著薄膜厚度的增加彈性模量逐漸接近塊體值。
　　 對(duì)Bi2Te3單晶納米線的力學(xué)性能研究。通過(guò)弛豫過(guò)程獲得了無(wú)初應(yīng)力的納米線模型。分析了納米線的徑向分布函數(shù),通過(guò)與塊體對(duì)比發(fā)現(xiàn),納米線主要的晶格結(jié)構(gòu)沒(méi)有發(fā)生明顯改變,但是由于邊界的引入導(dǎo)致晶格的無(wú)序性增大,表面原子將會(huì)降低納米線晶格的穩(wěn)定性。比較Bi2Te3納米線和塊體的應(yīng)力應(yīng)變曲線發(fā)現(xiàn),納米線無(wú)論是彈性模量、極限強(qiáng)度和破壞應(yīng)變都有大幅降低