Kristallorientierung

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 3532 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Kristallverformungsmechanismen und mechanisches Verhalten in Halbleiter-Nanodrähten (NWs), insbesondere ZnSe-NWs, weisen eine starke Orientierungsabhängigkeit auf. Über Zugverformungsmechanismen für verschiedene Kristallorientierungen ist jedoch nur sehr wenig bekannt. Hier wird die Abhängigkeit der Kristallorientierung von mechanischen Eigenschaften und Verformungsmechanismen von Zinkblende-ZnSe-NWs mithilfe von Molekulardynamiksimulationen untersucht. Wir stellen fest, dass die Bruchfestigkeit von [111]-orientierten ZnSe-NWs einen höheren Wert aufweist als die von [110]- und [100]-orientierten ZnSe-NWs. ZnSe-NWs mit quadratischer Form weisen bei allen betrachteten Durchmessern einen größeren Wert in Bezug auf Bruchfestigkeit und Elastizitätsmodul auf als eine sechseckige Form. Mit steigender Temperatur nehmen Bruchspannung und Elastizitätsmodul stark ab. Es wird beobachtet, dass die {111}-Ebenen die Verformungsebenen bei niedrigeren Temperaturen für die [100]-Orientierung sind; Wenn umgekehrt die Temperatur erhöht wird, wird die {100}-Ebene aktiviert und fungiert als zweite Hauptspaltungsebene. Am wichtigsten ist, dass die [110]-gerichteten ZnSe-NWs im Vergleich zu den anderen Orientierungen die höchste Dehnungsgeschwindigkeitsempfindlichkeit aufweisen, da sich mit steigenden Dehnungsgeschwindigkeiten viele verschiedene Spaltungsebenen bilden. Die berechnete radiale Verteilungsfunktion und potentielle Energie pro Atom bestätigen die erhaltenen Ergebnisse zusätzlich. Diese Studie ist sehr wichtig für die zukünftige Entwicklung effizienter und zuverlässiger ZnSe-NWs-basierter Nanogeräte und nanomechanischer Systeme.

Kürzlich wurde experimentell1,2 und theoretisch3,4 nachgewiesen, dass das mechanische Verhalten in Halbleiter-Nanodrähten (NWs) eine starke Orientierungsabhängigkeit aufweist. In NW-Systemen werden signifikante anisotrope mechanische Eigenschaften entlang verschiedener Kristallorientierungen beobachtet5,6,7. Andere physikalische Eigenschaften, einschließlich elektrischer und thermischer Leitfähigkeit, piezoelektrischer Polarisation, Brechungsindex, Oberflächenreaktivität und Bandlücke, können durch Steuerung der Kristallwachstumsrichtungen präzise geändert werden2,8,9,10. Bei Wurtzit/Zinkblende-NWs, die in unterschiedliche Richtungen wachsen, gibt es Unterschiede zwischen den Seitenflächen. Diese Unterschiede können den Verformungsmechanismus gegenüber perfektem und teilweisem Versetzungsgleiten und Verformungszwillingen erheblich verändern11,12,13,14,15. Wenn die Kristallorientierung mit der Temperatur und der Dehnungsrate gekoppelt ist, treten in NWs außerdem unterschiedliche Verformungsmechanismen auf, die auf die Konkurrenz zwischen globalen und lokalen Verformungen, die Aktivierungsvariation verschiedener Ebenen und die Einflussungleichheit der Abstände zwischen den Ebenen zurückzuführen sind 16, 17, 18, 19, 20 ,21. Daher ist ein tieferes Verständnis der von der Kristallorientierung abhängigen Eigenschaften für die Produktion und Funktionalität von NWs in ihren realen Anwendungen von entscheidender Bedeutung.

Andererseits machen die einzigartigen Anwendungen, die mikroskopische Physik und die Herstellung nanoskaliger Geräte wie Laserdioden, Fotodetektoren, Feldeffekttransistoren (FETs) und Solarzellen Halbleiter-NWs in diesen Forschungsfeldern äußerst vielversprechend. Insbesondere Zinkgemisch-ZnSe-NWs22 haben aufgrund ihrer herausragenden Leistung in Bezug auf mechanische Flexibilität, Transmission, Leitfähigkeit und kostengünstige Synthese23,24,25,26 große Aufmerksamkeit als nanoelektronische Materialien der nächsten Generation auf sich gezogen. Darüber hinaus machen die direkte Bandlücke (~ 2,7 eV), der hohe Absorptionskoeffizient, die geeignete Elektronegativität und die einzigartigen nichtlinearen Eigenschaften von Zinkblende-ZnSe es möglicherweise zu einem wichtigen Material für blaue Laseranwendungen, optische Wellenleiter, thermoelektrische Systeme und Leuchtdioden. Nanosensoren, Nanoaktoren, Nanoresonatoren und magnetische Informationsspeicher27,28,29,30,31,32,33,34,35,36,37. Trotz erheblicher Anstrengungen zur Bewertung der elektronischen, thermischen und optischen Eigenschaften von Zinkblende-ZnSe-NWs, sowohl in der Theorie23,24,26,38,39 als auch in Experimenten40,41,42,43,44,45,46, bis Nach unserem besten Wissen gibt es keine Untersuchungen zu ihren mechanischen Eigenschaften. Insbesondere über die Zugverformungsmechanismen für unterschiedliche Kristallorientierungen wurde in der Literatur nicht berichtet. Darüber hinaus ist auch die Variation der mechanischen Festigkeit unter verschiedenen externen Variablen wie Temperatur und Dehnungsrate in Verbindung mit der Ausrichtung unbekannt.

In dieser Arbeit haben wir Simulationen der Molekulardynamik (MD) eingesetzt, um den Einfluss von Kristallorientierungen wie [100], [110] und [111] bei unterschiedlichen Temperaturen (im Bereich von 100 bis 600 K) und Spannungsraten (variierend) aufzudecken von 1 × 108 s−1 nm bis 1 × 1010 s−1) auf die zugmechanischen Eigenschaften und Verformungsmechanismen von Zinkblende-ZnSe-NWs. Um die atomare Wechselwirkung von Zinkblende-ZnSe-NWs-Systemen zu beschreiben, wurde das von Zhou et al.47 entwickelte klassische Stillinger-Weber-Potential (SW) genutzt. Darüber hinaus haben wir die radiale Verteilungsfunktion und die potentielle Energie pro Atom berechnet, um das orientierungsabhängige mechanische Verhalten und die Verformungsmechanismen aufzuklären. Diese Arbeit verdeutlicht die Abhängigkeit der Kristallorientierung von den mechanischen Eigenschaften von ZnSe-NWs und bringt praktische Anwendungen von ZnSe-basierten Nanogeräten einen Schritt weiter.

Die zugmechanischen Eigenschaften und Verformungsmechanismen von Zinkblende-ZnSe-NW wurden mithilfe einer MD-Simulation mit dem LAMMPS-Programm untersucht48. Um die üblichen Newtonschen Bewegungsgleichungen zeitlich zu integrieren, wurde der Velocity-Verlet-Ansatz mit einem Zeitschritt von 1 fs verwendet. Das von Zhou et al.47 entwickelte Stillinger-Weber-Potenzial (SW) wurde zur Definition der interatomaren Wechselwirkungen zwischen Atomen der Zn-Se-, Zn-Zn- und Se-Se-Systeme verwendet. Die NW-Modelle werden erstellt, indem ein rechteckiger Kasten aus Zinkblende-ZnSe mit a = 5,6676 Å als Gitterkonstante geformt und dann mit dem Atomsk-Tool49 NWs aus einer definierten rechteckigen Säule erstellt werden. Die Studie berücksichtigt die Belastung entlang dreier Kristallorientierungen: [100], [110] und [111]. Wir betrachteten rechteckige Nanosäulenstrukturen bestehend aus ~ 23.520 bis 23.800 Atomen mit einer Abmessung von ~ (34,35 nm × 3,97 nm × 3,97 nm) unter Beibehaltung eines Längen-zu-Breiten-Verhältnisses von 8,57:116,50. Abbildung 1 zeigt die kristallorientierten Zinkblende-ZnSe-NW-Modelle [100], [110] und [111] mit einer Querschnittsfläche von ~ 15,76 nm2. Die zugmechanischen Eigenschaften der verschiedenen kristallorientierten Zinkblende-ZnSe-NWs wurden in Bezug auf unterschiedliche Temperaturen und Dehnungsraten untersucht. Die Temperaturen wurden zwischen 100 und 600 K variiert, während die Dehnungsraten zwischen 1 × 108 s−1 und 1 × 1010 s−1 variierten. Um ausreichend Platz für die freie Verformung der NWs zu gewährleisten, wurde eine relativ große Oberfläche von 10 nm x 10 nm in der x-y-Ebene verwendet. Um den Einfluss von Form und Durchmesser auf das mechanische Verhalten von [111]-orientierten ZnSe-NWs weiter zu untersuchen, haben wir neben der quadratischen Struktur auch die hexagonale Struktur berücksichtigt. Die Dicke und der Durchmesser beider Formen variierten zwischen 4 und 16 nm. Quadratische und sechseckige ZnSe-NWs mit unterschiedlichen Dicken und Durchmessern sind in Abb. S1 (Hintergrundinformationen) dargestellt.

Ausgangsstruktur des (a) [100]-gerichteten, (b) [110]-gerichteten und (c) [111]-gerichteten Zinkblende-ZnSe-NW mit einer Abmessung von ~ 34 nm × 3,97 nm × 3,97 nm. Die Querschnittsfläche aller NWS-Modelle beträgt ~ 15,76 nm2.

Zur Energieminimierung wurde die konjugierte Gradientenmethode verwendet. Danach wurde das System im NPT-Ensemble (konstante Atomzahl, konstanter Druck und Temperatur) bei einer bestimmten Temperatur entspannt, wobei in axialer Richtung kein Druck für 40 ps ausgeübt wurde. Abschließend wird das System mithilfe eines kanonischen Ensembles (NVT) für 40 ps thermisch entspannt. Bei diesen Verfahren wird ein Nose-Hoover-Thermostat zur Temperaturregelung verwendet. In der axialen Richtung wurde die periodische Randbedingung verwendet, während in den anderen beiden Richtungen die festen Randbedingungen verwendet wurden. Wir untersuchten die Energieerhaltung von Zinkblende-ZnSe-NWs im NVE-Ensemble (konstante Atomzahl, Volumen und Energie), um die Zuverlässigkeit des in unseren MD-Simulationen verwendeten Zeitschritts zu überprüfen. Wie in Abb. S2a–c (Hintergrundinformationen) gezeigt, bleibt die Gesamtenergie der in dieser Arbeit berücksichtigten NWs ([111]-, [110]- und [100]-orientiert) über die NVE-Simulationen nahezu konstant, was zeigt, dass die Zeit Der in unseren MD-Simulationen verwendete Schritt ist angemessen. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass die Gitterkonstante von Zinkblende-ZnSe-NWs 5,6682 Å in x-Richtung beträgt, was gut mit den Experimenten von Karzel et al.51 (5,6676 Å) und First-Principles-Berechnungen von Okoye et al.38 übereinstimmt ( 5,666 Å), Khenata et al.52 (5,624 Å) und Wang et al.53 (5,633 Å). Dieses Ergebnis weist darauf hin, dass das in dieser Arbeit verwendete SW-Potential die Atomwechselwirkungen im ZnSe-Kristall angemessen erklären kann. Um die Verformungsmechanismen zu untersuchen, werden außerdem alle Visualisierungen mit dem OVITO-Paket54 erstellt.

Nach der Energieminimierung und strukturellen Entspannung verwendeten wir eine einachsige Zugbelastung entlang der Längsrichtung der NWs mit einer konstanten Dehnungsrate von 109 s−1. Dies ist aufgrund der rechnerischen Einschränkungen eine günstige Dehnungsrate für MD-Simulationen und wurde in mehreren früheren Studien effektiv genutzt16,50. Da experimentell eine deutlich geringere Dehnungsrate verwendet wird, wurden auch unterschiedliche Dehnungsraten berücksichtigt, um den Einfluss der Dehnungsrate zu untersuchen. In unseren Modellen werden die atomaren Spannungen mithilfe des Virialstress-Theorems55 geschätzt, das als arithmetisches Mittel der nativen Spannungen aller Atome ermittelt wird und den folgenden Ausdruck hat:

wobei Ω das Gesamtvolumen des NW bezeichnet, mi die Masse des Atoms i bezeichnet, \({\dot{\text{u}}}_{i}\) die Geschwindigkeitskomponente des Atoms i bezeichnet, \(\otimes \) ist das Kreuzprodukt, rij bezeichnet den Abstand zwischen Atom i und j und fij ist die Kraft, die Atom j auf Atom i ausübt.

In binären Halbleiter-NW-Systemen der Gruppen II–VI und III–V neigen die ZnSe-NWs aufgrund der Kristallpolarität des Materials und der Kombination aus niedriger Energie und hoher Symmetrie der [111]-Richtung dazu, kubisch aus einer Zinkblende zu wachsen Struktur entlang der [111]-Richtung56. In den letzten Jahren haben jedoch nicht-[111]-orientierte Halbleiter-NWs aufgrund ihrer hervorragenden Kristallqualität und besonderen physikalischen Eigenschaften zunehmendes Interesse im Hinblick auf Grundlagenforschung und vielversprechende Anwendungen geweckt57,58,59. Die Einführung zahlreicher Wachstumstechniken, einschließlich chemischer Gasphasenabscheidung und des Dampf-Flüssigkeit-Feststoff-Wachstumsmodus der Niederdruck-Metall-organischen Dampfphasenepitaxie, des selektiven Wachstums von stapelfehlerfreien ZnSe-NWs entlang [100], [110] und [ 112] Kristallorientierungen werden berichtet56,60. Durch die Aufrechterhaltung einer Querverbindung zwischen Durchmesser, Länge und Wachstumstemperatur der NWs wird gezeigt, dass 99 % der gesamten ZnSe-NWs entweder entlang der Wachstumsrichtungen [100], [110], [111] oder [112] wachsen bestätigt durch Photolumineszenzspektroskopie, Röntgenbeugung und Transmissionselektronenmikroskopie59,61. Das Verständnis der mechanischen Eigenschaften und des Verformungsverhaltens von ZnSe-NWs, die entlang der Richtungen [100], [110] und [111] gewachsen sind, ist daher von entscheidender Bedeutung für die Entwicklung und Optimierung ihrer Anwendungen in verschiedenen Bereichen, wie etwa der Nanoelektronik und nanoelektromechanischen Systemen.

Zunächst untersuchen wir die Bedeutung der Kristallorientierung für das Spannungs-Dehnungs-Reaktionsverhalten der Zinkblende-ZnSe-NWs. Abbildung 2a zeigt die Spannungs-Dehnungs-Diagramme bei Raumtemperatur von Zinkblende-ZnSe-NWs mit quadratischem Querschnitt, die einer einachsigen Zugbelastung mit einer Dehnungsrate von 109 s−1 in den drei Kristallorientierungen [100], [110] und [ 111]. Wie zu beobachten ist, bestehen die Kurven größtenteils aus elastischen und plastischen Phasen. Aus diesen Kurven können wir ersehen, dass bei 300 K [111]-gerichtetes Zinkblende-ZnSe das höchste Bruchspannungsverhalten aufweist, wohingegen die [100]-Belastungsrichtung das niedrigste aufweist. Analoge Arten von orientierungsabhängigem Bruchspannungsverhalten wurden auch für CdSe-, CdTe-, InP-, Ni-Co- und SiGe-NWs16,17,18,62,63 berichtet. Umgekehrt weist das [100]-orientierte Zinkblende-ZnSe eine signifikantere Bruchdehnung auf als die beiden anderen Kristallrichtungen. Der Grund für diese größere Bruchdehnung, die zur Verformung des [100]-orientierten NW erforderlich ist, wird später in diesem Abschnitt erörtert. Die Fläche unter dem Spannungs-Dehnungs-Verhalten kann zur Berechnung der Bruchzähigkeit verwendet werden, also der Menge an Energie, die vor dem Versagen benötigt wird16. Der genaue Wert der Bruchzähigkeit von ZnSe-Massen kann je nach mehreren Faktoren variieren, darunter Korngröße, Kristallstruktur und das Vorhandensein von Defekten oder Verunreinigungen. Andererseits kann die Bruchzähigkeit von ZnSe-NWs von der Größe und Form des NWs, der Kristallrichtung und der Ausrichtung des Materials in Bezug auf die ausgeübte Spannung abhängen16,50. Diese Studie ergab, dass aufgrund der günstigen Kristallstruktur [111]-gerichtetes ZnSe-NW die höchste Bruchzähigkeit aufweist, während die [100]-Belastungsrichtung den niedrigsten Wert aufweist. Anschließend berechneten wir mithilfe einer grafischen Technik den Elastizitätsmodul für alle NW-Systeme basierend auf der Steigung der Spannungs-Dehnungs-Kurve im linearen Bereich (bis zu ≤ 1 % Dehnung). Der kleine Dehnungsbereich stellt sicher, dass die Konfiguration dem Hookschen Gesetz folgt und eine lineare elastische Zerstörung erreicht wird. Der geschätzte Elastizitätsmodul für drei Kristallorientierungen von Zinkblende-ZnSe-NWs bei 300 K und einer Dicke von ~ 4 nm beträgt 50,08 GPa, 72,03 GPa bzw. 74,46 GPa entlang der Linie [100], [110]. und [111]-Orientierungen. Die [111]-Richtung hat den maximalen Elastizitätsmodul von ~ 74,46 GPa, was darauf hinweist, dass das ZnSe-NW eine hohe Steifigkeit aufweist und schwer zu verformen ist. In der Belastungsrichtung [111] werden die maximale Bruchspannung und der maximale Elastizitätsmodul durch die niedrigste Oberflächenenergie der Materialien verursacht. Frühere Untersuchungen haben gezeigt, dass die [111]-Kristallorientierung den längsten Oberflächenatomabstand und damit die kleinste Konzentration an Oberflächenatomen aufweist, was ihr die niedrigste Oberflächenenergie ermöglicht, gefolgt von den [110]- und [100]-Kristallorientierungen64,65. Wenn also eine Zugkraft in [111]-Richtung ausgeübt wird, hat die [111]-Oberfläche mit der niedrigsten Energie die größte Fähigkeit, einem Bruch zu widerstehen64,65. Um die Auswirkung der NW-Ausrichtungen auf die Spannungs-Dehnungs-Leistung zu erklären, betrachten wir die vergrößerte Ansicht der Oberfläche der Zinkblende-ZnSe-NWs entlang der drei Ausrichtungen, wie in Abb. 1a – c dargestellt. Aus der vergrößerten Ansicht ist ersichtlich, dass die [100]-gerichtete NW-Oberfläche im Vergleich zu den [110]- und [111]-gerichteten NW-Oberflächen eine sehr dichte Struktur aufweist. Daher wird der Oberflächenatomabstand des [100]-orientierten NW einen kleineren Wert aufweisen als die anderen beiden Richtungen. Um den Oberflächenatomabstand verschiedener NWs anzuzeigen, haben wir außerdem die potentielle Energie pro Atom von [111]-, [110]- und [100]-orientierten ZnSe-NWs berechnet, die in Abb. 2b dargestellt sind. Aus der Abbildung geht hervor, dass die potenzielle Energie pro Atom bei Nullspannung für diese Richtung einen niedrigeren Wert aufweist, da [111]-orientiertes NW im Vergleich zu den anderen beiden Richtungen eine sehr geringe Oberflächendichte aufweist, was auf eine überlegene strukturelle Stabilität hinweist und Festigkeit, einschließlich Bruchfestigkeit und Elastizitätsmodul, im Vergleich zu den anderen Richtungen.

(a) Spannungs-Dehnungs-Reaktion und (b) potentielle Energie/Atom von 15,76 nm2 Zinkblende-ZnSe-NWs für verschiedene Kristallorientierungen bei 300 K.

Darüber hinaus können Zinkblende-ZnSe-NWs mit [111]-Orientierung in verschiedenen Formen mit Dickenbereichen von 8 bis 30 nm oder mehr gezüchtet werden1,2,56,60,61,66 unter Verwendung der Molekularstrahlepitaxie und der Dampf-Flüssigkeit-Feststoff-Methode Mechanismen. Um die nächste Generation der Nanotechnologie langlebiger und leichter zu machen, arbeiten Forscher und Experimentatoren auch intensiv an der Entwicklung von NWs mit kleinerem Durchmesser2. Daher haben wir in dieser Studie auch das mechanische Verhalten wie Bruchspannung und Elastizitätsmodul von [111]-orientierten quadratischen und hexagonal geformten ZnSe-NWs mit Dicken zwischen ~ 4 und ~ 16 nm untersucht. Die Spannungs-Dehnungs-Beziehung von quadratischen und sechseckigen ZnSe-NWs bei 300 K für vier verschiedene Dicken oder Durchmesser während des Zugprozesses ist in Abb. 3a bzw. b dargestellt. Die Ergebnisse zeigen, dass für beide Formentypen die Zugfestigkeit mit zunehmender Dicke oder Durchmesser der NWs zunimmt; Dieses Ergebnis steht im Einklang mit anderen Arten von Halbleiter-NWs5,16,67,68,69. Insbesondere wenn die Dicke von ~ 4 auf ~ 16 nm zunimmt, erhöht sich die Zugfestigkeit von 12,24 auf 16,12 GPa für quadratische ZnSe-NWs. Andererseits steigt die Zugfestigkeit für hexagonal geformte ZnSe-NWs von 3,81 auf 4,08 GPa mit der Zunahme der Dicke von ~ 4 auf ~ 16 nm. Für sowohl quadratische als auch sechseckige ZnSe-NWs mit unterschiedlichen Dicken werden die Elastizitätsmodule dann mithilfe von Spannungs-Dehnungs-Kurven mit (Dehnung ≤ 1 %) linearer Regression bestimmt und sind in Tabelle 1 dargestellt. Wir haben unseren berechneten Elastizitätsmodul von Zinkblende verglichen ZnSe-NWs bei 300 K mit früheren veröffentlichten Studien52,53,70,71, wie in Tabelle 1 gezeigt, um das interatomare Potenzial und den in dieser Arbeit verwendeten Berechnungsansatz zu validieren. Die Ergebnisse zeigen die Möglichkeit, die mechanischen Eigenschaften der ZnSe-Nanostrukturen mithilfe des interatomaren SW-Potentials korrekt vorherzusagen. Frühere Untersuchungen ergaben, dass die Elastizität größenabhängig ist2 und auf NWs mit Durchmessern von weniger als 20 nm beschränkt ist. Daher zeigt auch unsere Arbeit eine ähnliche Größenabhängigkeit, was unsere Untersuchung bestätigt. Am wichtigsten ist, dass die quadratischen ZnSe-NWs bei allen betrachteten Dicken ein besseres mechanisches Verhalten aufweisen als sechseckige ZnSe-NWs. Die potentielle Energie pro Atom bei Nullspannung ist in Abb. 3c, d dargestellt, was erklärt, warum diese Variation auftritt. Bei ähnlicher Dicke oder ähnlichem Durchmesser weist die potenzielle Energie pro Atom bei Nullspannung bei quadratischen NWs im Vergleich zu hexagonalen Formen eine größere Negativität auf; Überprüfen Sie unsere Berechnungen. Da darüber hinaus sowohl der Elastizitätsmodul als auch die Bruchspannung mit zunehmender Dicke bei einer bestimmten Temperatur ansteigen, ist es offensichtlich, dass die Dicke des ZnSe-NW einen erheblichen Einfluss auf seine mechanischen Zugeigenschaften hat. Der Dekohäsionseffekt der Oberflächenatome, der durch das große Verhältnis von Oberfläche zu Volumen von NWs verursacht wird, ist die Ursache für ihre größenabhängigen mechanischen Eigenschaften68,72,73. Darüber hinaus wird die Variation des mechanischen Verhaltens durch NW-Gitterdefekte verursacht, die hauptsächlich durch Oberflächenatome verursacht werden. Die Oberflächenatome bewegen sich nach innen zum Kern, wenn die umgebenden Koordinaten abnehmen, was zu Gitterfehlern führt16. Allerdings sind NWs mit größerer Dicke im Vergleich zu NWs mit geringerer Dicke weniger anfällig für Oberflächenfehler, und daher nehmen mit zunehmender Dicke mechanische Eigenschaften wie der Elastizitätsmodul und die Bruchspannung von ZnSe-NW zu.

Einfluss der Dicke oder des Durchmessers auf die Spannungs-Dehnungs-Reaktionskurven von [111]-orientierten Zinkblende-ZnSe-NWs in (a) quadratischer Form und (b) hexagonaler Form bei 300 K. Dickenabhängige potentielle Energie/Atom von [111] -orientierte Zinkblende-ZnSe-NWs in (c) quadratischer und (d) hexagonaler Form bei 300 K.

Die Temperatur ist ein wichtiger externer Parameter, der das mechanische Verhalten des NW erheblich beeinflussen kann. Das spröde oder duktile Verhalten von Halbleiter-NWs kann durch die Temperatur- und Belastungsbedingungen erheblich beeinflusst werden5,16,67,68,69,74. Bei hohen Temperaturen kann die thermische Energie dazu führen, dass die Bindungen zwischen Atomen geschwächt werden, wodurch das Material anfälliger für plastische Verformung wird und eine duktilere Reaktion entsteht. Andererseits können niedrige Temperaturen das Material spröder machen und zu einer geringeren plastischen Verformung vor dem Bruch führen. Hier haben wir mehrere MD-Simulationen für zahlreiche Temperaturen durchgeführt, um die Temperaturabhängigkeit des mechanischen Verhaltens und des Verformungsmechanismus von Zinkblende-ZnSe-NWs zu untersuchen. Abbildung 4a–c zeigt die Spannungs-Dehnungs-Diagramme von Zinkblende-ZnSe-NWs für verschiedene Kristallorientierungen bei Temperaturen im Bereich von 100 bis 600 K. Wie die Abbildungen zeigen, nehmen die Bruchspannung und die Bruchspannung zu, wenn die Temperatur von 100 auf 600 K erhöht wird Die Bruchdehnung nimmt stark ab. Darüber hinaus wird die Spitze in der Spannungs-Dehnungs-Kurve glatt statt abrupt, und die Spannungsschwankung bei den plastischen Verformungsteilwindungen ist minimal. Daher weist Zinkblende-ZnSe-NW ein herkömmliches sprödes Verhalten auf und es wurde keine Temperatur für den Übergang von spröde zu duktil identifiziert. Die Spannungs-Dehnungs-Kurven bei verschiedenen Temperaturen werden zur Berechnung der endgültigen Bruchfestigkeit und des Elastizitätsmoduls verwendet (dargestellt in Abb. 5a, b). Bei einer Temperatur von 100 K weist das ZnSe-NW eine maximale Bruchspannung von ~ 10,46 GPa, ~ 12,82 GPa und ~ 14,79 GPa entlang der Richtungen [100], [110] bzw. [111] auf. Die Bruchspannung sinkt entlang der [100]-, [110]- und [111]-Richtung auf ~ 5,65 GPa, ~ 7,56 GPa und ~ 9,29 GPa, sobald die Temperatur auf 600 K ansteigt. Die Bruchspannung der Der NW-Wert von Zinkblende-ZnSe nimmt um 45,98 %, 41,02 % und 37,24 % entlang der drei Richtungen ab, wenn die Temperatur auf 600 K erhöht wird. Ebenso wie die Bruchspannung zeigt auch der geschätzte Elastizitätsmodul einen abnehmenden Trend mit zunehmender Temperatur. Wie in Abb. 5b gezeigt, nimmt der Elastizitätsmodul bei einem Temperaturanstieg von 100 auf 600 K von ~ 61,27 auf ~ 42,99 GPa, von ~ 81,67 auf ~ 63,56 GPa und von ~ 84,69 auf ~ 67,37 GPa entlang der [100] ab, [ 110] bzw. [111] Richtungen. Der Elastizitätsmodul der Zinkblende ZnSe NW nimmt entlang der drei Richtungen um 29,84 %, 22,16 % und 20,45 % ab, wenn die Temperatur auf 600 K erhöht wird. Aufgrund der unterschiedlichen Effekte, wie z. B. Wärmeausdehnung, größere Atommobilität usw Schnelle Diffusion des freien Volumens bei hohen Temperaturen, der Elastizitätsmodul nimmt mit steigender Temperatur ab. Darüber hinaus zeigt Abb. 5a, dass die Rate der Abnahme der Bruchspannung mit der Temperatur für die [100]-Ausrichtung am signifikantesten und für die [111]-Ausrichtung am niedrigsten ist. In ähnlicher Weise ist auch bei den drei Kristallorientierungen die Geschwindigkeit der Verringerung des Elastizitätsmoduls mit der Temperatur bei der [100]-Orientierung am größten und bei der [111]-Orientierung am niedrigsten. In einem späteren Abschnitt werden wir uns die Verformungsmechanismen verschiedener kristallorientierter NWs ansehen, die diese abnehmende Trendvariation verursachen. Die potentielle Energie ist ein gültiges Maß zur Quantifizierung des abnehmenden Trends der mechanischen Festigkeit für verschiedene Ausrichtungen, den wir bereits in Abb. 2b gezeigt und erklärt haben. Darüber hinaus kann die Gesamtenergie pro Atom vor der Belastung verwendet werden, um zu bestimmen, warum die mechanische Festigkeit mit steigender Temperatur abnimmt. Daher sind die Gesamtenergie-pro-Atom-Kurven von [111]-, [110]- und [100]-orientierten Zinkblende-ZnSe-NWs für sechs verschiedene Temperaturen vor der Zugverformung in Abb. S2a – c dargestellt (Hintergrundinformationen). Vor dem Aufbringen der Zugkraft werden 40.000 MD-Schritte zur Äquilibrierung verwendet. Die Abbildung zeigt jedoch nur die ersten 20.000 MD-Schritte für alle betrachteten Temperaturen. Wie aus Abb. S2 ersichtlich ist, zeigen Zinkblende-ZnSe-NWs für alle unterschiedlichen Kristallorientierungen nach 1000 MD-Schritten bei allen Temperaturen ein stabiles Verhalten. Da außerdem die kinetische Energie der Atome mit der Temperatur zunimmt, steigt auch unsere berechnete Kurve der Gesamtenergie pro Atom, wobei für 600 K für alle Orientierungen ein höherer Wert gefunden wurde, was darauf hindeutet, dass die Strukturen weniger stabil sind als für Zinkblende-ZnSe-NWs bei 100 K. Daher reicht eine geringere Verformungsenergie aus, um das NW bei steigender Temperatur zu verformen.

Spannungs-Dehnungs-Reaktion von (a) [100], (b) [110] und (c) [111]-orientierten 15,76 nm2 großen Zinkblende-ZnSe-NWs bei verschiedenen Temperaturen.

(a) Bruchspannung und (b) Elastizitätsmodul von 15,76 nm2 Zinkblende-ZnSe-NWs für verschiedene Kristallbelastungsrichtungen und unterschiedliche Temperaturen.

Die radiale Verteilungsfunktion (RDF), g(r), zeigt, wie die Dichte benachbarter Atome um ein bestimmtes Atom als Funktion der Entfernung variiert. Die Verteilung um dieses Atom wird durch den Abstand zwischen dem spezifischen Zielatom und benachbarten Atomen berechnet17,75. Die Temperatur hat einen erheblichen Einfluss auf die g(r)-Funktion. Aufgrund der Temperaturerhöhung kommt es zu erheblichen Gitterschwingungen in den Atomanordnungen und auch die Abstandsabstände verschiedener in den Systemen gebildeter Paare zeigen ein verändertes Verhalten. Wir haben den RDF bei drei verschiedenen Temperaturen geschätzt, um die temperaturabhängige mechanische Leistung qualitativ aufzuklären. Abbildung S3a–c (Hintergrundinformationen) zeigt die temperaturabhängigen RDFs von Zn-Zn-, Zn-Se- und Se-Se-Paaren des ZnSe-Systems. Die g(r)-Peaks sind bei einer niedrigen Temperatur von 100 K extrem hoch und dünn, was auf eine feste Kristallstruktur hinweist, die wohlgeordnet und kompakt ist. Allerdings werden die Teilchen bei steigender Temperatur energiereicher und oszillieren aus ihrer Gleichgewichtslage. Dadurch sinkt die Höhe der g(r)-Peaks. Gleichzeitig vergrößert sich die Breite, was darauf hindeutet, dass mit steigender Temperatur die Zahl der geordneten Kristallstrukturen abnimmt, während die Zahl der ungeordneten Strukturen zunimmt. Dies hat zur Folge, dass bei einer höheren Temperatur der Struktur eine geringere einachsige Kraft erforderlich ist, um sie zu brechen, als bei einer niedrigeren Temperatur. Diese Form der RDF-Funktion mit steigender Temperatur stellt somit die Ursache für den Verlust der mechanischen Festigkeit bei hohen Temperaturen dar, was mit früheren Untersuchungen übereinstimmt17.

Verformungsmechanismen bei unterschiedlichen Dehnungswerten können für quantitative und qualitative Erklärungen des mechanischen Verhaltens verwendet werden76,77,78,79. Um zunächst die Auswirkungen von Kristallorientierungen zu untersuchen, werden in den Abbildungen zunächst die Spannungsausbreitung und das Verformungsmuster von ZnSe-NWs bei Raumtemperatur für drei verschiedene Orientierungen ([111], [110] und [100]) dargestellt. 6, 7 und 8. Den Ergebnissen zufolge beginnt die Rissinitiierung von [100]-orientierten ZnSe-NWs (dargestellt in Abb. 8) bei einem höheren Dehnungswert als bei [111]- und [110]-orientierten ZnSe-NWs, was unsere Feststellung bestätigt Abb. 2a. Nun stellt sich die Frage: Obwohl die entwickelte Spannung entlang der [100]-Orientierung im Vergleich zu den [111]- und [110]-Orientierungen geringer ist, warum zeigt diese Orientierung während ihrer Verformung eine höhere Dehnung? Wir haben bereits erklärt, dass die Oberflächenenergie von [111]-orientierten ZnSe-NWs im Vergleich zu [110]- und [100]-Orientierungen niedriger ist und daher [111] eine bessere Bruchspannung sowie einen besseren Elastizitätsmodul aufweist. Dennoch ist der atomare Abstand zwischen den Atomen entlang der [111]-Richtung (dargestellt in Abb. 1c) im Vergleich zur [100]-Richtung groß, und daher erleichtert ein geringeres Ausmaß der einachsigen Zugspannung im Vergleich zur [100]-Richtung die Risseinleitung. Schließlich verformt sich die Struktur in sehr kurzer Zeit. Darüber hinaus wurde berichtet, dass die {111}-Ebene bei Raumtemperatur oder niedrigeren Temperaturen aufgrund ihrer vollständig aktivierten Natur gegenüber anderen Ebenen die Spaltungskeimbildung dominieren kann, wenn eine Kraft in ihre Richtung ausgeübt wird. Ähnliche Ergebnisse für die mechanischen Eigenschaften von [111]-gerichteten NWs wurden auch für CdSe-, CdTe- und InP-NWs berichtet16,50,62.

Zugverformungsprofile von [111] gerichteten 15,76 nm2 großen Zinkblende-ZnSe-NWs für verschiedene Spannungsniveaus bei einer Temperatur von 300 K. Die durch Versetzungsgleiten induzierte Spaltungsebene entlang eines Winkels von 45° mit der angelegten Spannung ist in der vergrößerten Ansicht dargestellt.

Zugverformungsprofile von [110] gerichteten 15,76 nm2 Zinkblende-ZnSe-NWs für verschiedene Spannungsniveaus bei 300 K. Die durch Versetzungsgleiten induzierte Spaltungsebene entlang eines Winkels von 45° mit der angelegten Spannung ist in der vergrößerten Ansicht dargestellt.

Zugverformungsprofile von [100]-gerichteten 15,76 nm2 großen Zinkblende-ZnSe-NWs für verschiedene Spannungsniveaus bei 300 K. Die vergrößerte Ansicht zeigt die durch Versetzungsverschiebung induzierte {111}-Spaltungsebene entlang eines Winkels von 45° mit der angelegten Spannung.

Aus einer ähnlichen Überlegung wie oben geht hervor, dass die Oberflächenenergie von [100]-orientierten ZnSe-NWs im Vergleich zu den Richtungen [111] und [110] sehr hoch ist und daher [100] eine geringere Bruchspannung sowie einen geringeren Elastizitätsmodul aufweist. Da hier der atomare Abstand zwischen den Atomen entlang der [100]-Richtung kleiner ist als in den anderen Ausrichtungen (dargestellt in Abb. 1a), würde die Entstehung eines Risses entlang der {100}-Ebene eine beträchtliche Energiemenge erfordern. Da die Verbindung außerdem eine hohe Steifigkeit aufweist, ist eine größere Zugspannung erforderlich, um die Struktur zu verformen. Wie in Abb. 8 dargestellt, ist zu erkennen, dass [100]-gerichtete NWs bei Raumtemperatur im Vergleich zu anderen Orientierungen aufgrund der Dominanz des kleineren interatomaren Abstands einen großen Dehnungswert von 21,875 % benötigen, um die Verformung der Struktur einzuleiten eine enorme elektrostatische Anziehungskraft inmitten der Flugzeuge50. Bei Raumtemperatur entlang der [100]-Orientierung war die {100}-Ebene aufgrund des vorherrschenden geringeren interplanaren Abstands nicht vollständig aktiviert, und daher wurde die {111}-Spaltungsebene durch die angelegte Spannung aktiviert und führte zu einem geringeren Bruch Stress mit höherer Belastung. Ähnliche Ergebnisse entlang des mechanischen Verhaltens von [100]-orientierten NWs finden sich auch in der Literatur für die mechanischen Eigenschaften von CdTe- und SiGe-ZB-NWs62,67. Darüber hinaus ist bei Zinkblende-NWs die Hauptquelle für native Verformungen, die einen NW-Kollaps verursachen, die Keimbildung und Übertragung von Versetzungen durch teilweisen Schlupf, vollständigen Schlupf oder Zwillingsbildung. Da die Energiebarriere für die Entstehung von Versetzungen an Kanten niedriger ist als auf Flächen oder in der Masse, geht die Störung von einer der Kanten des NW aus, zirkuliert durch den Querschnitt und bildet schließlich eine der lokalen Deformationen. Bei [110]- und [111]-orientierten NWs wurde festgestellt, dass der Versetzungsschlupf am linken oder rechten Rand der Strukturen initiiert wird. Eine Art Spaltebene erzeugt mit der Richtung der Zugkraft einen Verformungswinkel von 45°.

Wie bei der Temperaturerhöhung zeigen alle verschiedenen Ausrichtungen einen abnehmenden Trend im mechanischen Verhalten, und insbesondere das [100]-orientierte ZnSe-NW zeigt eine stärkere Verringerung. Hier haben wir nur die Spannungsausbreitung und das Verformungsmuster von [100]-orientiertem ZnSe bei 600 K betrachtet, um die Auswirkungen steigender Temperaturen zu verstehen. Die Verformungsprofile von [100]-orientierten ZnSe-NWs bei 600 K sind in Abb. 9 dargestellt. Der Bruchprozess von [100]-orientierten ZnSe-NWs begann mit der Entstehung eines Risses bei 21,50 % Dehnung und endete mit dem endgültigen Versagen bei 21,875 % Dehnung bei 300 K Temperatur. Bei einer Strukturtemperatur von 600 K beginnt der Riss mit einem Dehnungswert von 18,50 %. Dies liegt daran, dass die atomaren Bindungen des Zinkblende-ZnSe-Kristalls bei höheren Temperaturen stärkeren thermischen Schwankungen unterliegen, was schließlich dazu führt, dass die chemischen Bindungen geschwächt werden16,50. Da außerdem der Einfluss thermischer Vibrationen bei höheren Temperaturen sehr groß ist, reicht eine minimale Belastung aus, um die Bindung zu zerstören und einen Hohlraum zu erzeugen, der die makellosen NWs zerstört16,50. Nach Beginn des Bruchs beginnt sich der Riss zu verzweigen und die größte atomare Verschiebung erfolgt in Belastungsrichtung. Die anfängliche Rissbildung und der schließliche Kollaps erfolgen bei nahezu demselben Dehnungsniveau, was auf ein sprödes Versagen schließen lässt. Bei einer Temperatur von 300 K stellten wir fest, dass sich bei einer Dehnung von 21,625 % Brüche an einer einzigen Stelle der NWs zu bilden begannen (wie durch die roten Blöcke in Abb. 8 dargestellt) und Bindungen bei etwa 21,875 % Dehnung zu brechen begannen. Dies geschah, weil die Struktur bei niedrigen Temperaturen nur einer mäßigen thermischen Schwingung ausgesetzt ist, was verhindert, dass sich die Verformung und Spannung vom anfänglichen Bindungsbruch im Nordwesten schnell auf die gesamte Anordnung ausbreitet und die Aktivierung in der {100}-Ebene fehlt. Wenn die Temperatur jedoch beträchtlich hoch ist und auf 600 K ansteigt, nimmt die Stärke und Geschwindigkeit der Atomschwingung zu, und Atome können sich müheloser von ihrem Gleichgewichtsort entfernen, was den mittleren interatomaren Abstand vergrößert und die {100}-Ebene stark aktiviert. Infolgedessen nimmt bei einer höheren Temperatur die relative Bedeutung des interplanaren Abstands ab. Risse beginnen an zwei verschiedenen Stellen (gekennzeichnet durch rote, quadratische, gepunktete Blöcke) aufgrund der kombinierten Wirkung der {111}-Ebene (die einen Winkel von 45° zur Spannungsrichtung bildet) und der {100}-Ebene (die einen Winkel bildet). von 90° zur Zugrichtung)16,50. Aufgrund der Aktivierung zweier Arten von Ebenen mit zunehmender Temperatur nehmen die Bruchspannung und der Elastizitätsmodul von Zinkblende-ZnSe-NWs schnell ab und die NWs kollabieren bei sehr niedrigen Dehnungsniveaus.

Zugverformungsprofile von [100] gerichtetem 15,76 nm2 Zinkblende-ZnSe-NW für verschiedene Spannungsniveaus bei 600 K. Die vergrößerte Ansicht zeigt die durch Versetzungsverschiebung induzierte {100}-Spaltungsebene entlang eines Winkels von 90° bei der angelegten Spannung.

Es ist erwähnenswert, dass MD-Simulationen rechenintensiv sind und Simulationen bei niedrigeren Dehnungsraten sehr lange Rechenzeiten erfordern50,80. Daher wurden in jüngster Zeit die meisten Zugversuche mittels MD-Simulation bei Dehnungsraten von 108 bis 1010 s−1 durchgeführt, was sehr beliebt und rechnerisch effizient ist und die experimentelle Beschreibung der betrachteten Systeme vorhersagen kann2,5,16 ,67. Darüber hinaus ermöglichen hohe Dehnungsraten in MD-Simulationen die Untersuchung des mechanischen Verhaltens von Materialien unter extremen Belastungsbedingungen, die experimentell möglicherweise nur schwer oder gar nicht zu ermitteln sind80,81,82. Es wurde berichtet, dass es aufgrund der Variation der Dehnungsgeschwindigkeiten von niedrig zu hoch vor allem in den plastischen Phasen der Spannungs-Dehnungs-Kurven zu einer Änderung kommt, was für die Variation der Zugfestigkeit und Zähigkeit verantwortlich ist. In der plastischen Phase der NWs werden daher mit unterschiedlichen Dehnungsraten unterschiedliche Versagensmechanismen induziert, darunter Teilgleiten, Versetzungsgleiten, Zwillingsbildung, Neuorientierung, Einschnürung, Amorphisierung usw.83. Darüber hinaus kann der Unterschied in den Dehnungsraten zwischen Simulationen und Experimenten tatsächlich das beobachtete spröde oder duktile Verhalten der Halbleiter-NWs beeinflussen. Im Allgemeinen können kleinere Dehnungsraten zu einer allmählicheren und plastischeren Verformung führen, was zu einer duktileren Reaktion führen kann, die durch eine größere plastische Verformung vor dem Versagen gekennzeichnet ist. Das spröde oder duktile Verhalten von Halbleiter-NWs, das auf der geringeren Dehnungsrate basiert, kann jedoch durch die Größe und Form der NWs, die Kristallstruktur und -orientierung, das Vorhandensein von Defekten und Verunreinigungen sowie die Temperatur- und Belastungsbedingungen beeinflusst werden.

In dieser Studie haben wir Dehnungsraten von 108 s−1 bis 1010 s−1 bei 300 K berücksichtigt, um ihre Auswirkungen auf das mechanische Verhalten von ZnSe-NWs für drei Kristallorientierungen zu untersuchen. Abbildung 10 zeigt die Auswirkungen zahlreicher Dehnungsraten im Bereich von 108 s−1 bis 1010 s−1 auf die Spannungs-Dehnungs-Leistung von [111]-, [110]- und [100]-orientierten Zinkblende-ZnSe mit einem Querschnitt Fläche von ~ 15,76 nm2. Vor Erreichen des maximalen Spannungspunkts ist die Spannungs-Dehnungs-Leistung des Materials unabhängig von den Dehnungsraten, was bedeutet, dass die Dehnungsraten keinen Einfluss auf den Elastizitätsmodul haben. Bei Zinkblende-ZnSe-NWs sinken jedoch sowohl die Bruchspannung als auch die Bruchdehnung, wenn die Dehnungsrate abnimmt. Dieser Abfall ist darauf zurückzuführen, dass Temperaturschwankungen und Spannungsrelaxation bei einer langsameren Dehnungsrate begünstigt werden, da die Atome mehr Zeit zum Reagieren haben. Dadurch bricht die Bindung früher zusammen, da die Atome die Energiebarriere bei geringerer Spannung überwinden können. Andererseits führt unzureichende Zeit zum Entspannen bei einer höheren Dehnungsrate zu schnellen Fluktuationen in den Atomen, die dazu führen, dass Risse gleichzeitig in verschiedenen Regionen des Nordwestens entstehen und sich sofort ausbreiten. Daher werden leichte Verzerrungen im Spannungs-Dehnungs-Diagramm gefunden, die einer Dehnungsrate von 1010 s−1 entsprechen. Darüber hinaus steigen mit zunehmender Dehnungsrate sowohl die Bruchfestigkeit als auch die Dehnung, was mit früheren Beobachtungen vergleichbarer Zinkblende-NWs übereinstimmt16,50,84. Tabelle 2 listet die aus Abb. 10 erhaltenen Parameter für Bruchspannung und Elastizitätsmodul auf. Da die Steigungen der Spannungs-Dehnungs-Kurven im elastischen Bereich während der Verformung für unterschiedliche Dehnungsraten übereinstimmen, wird der Elastizitätsmodul als unabhängig von der Dehnungsrate bestimmt. Die Beziehung zwischen der ultimativen Bruchfestigkeit von Zinkblende-ZnSe-NW entlang einer bestimmten Kristallorientierung und der Dehnungsrate kann durch die Arrhenius-Gleichung von77 in Beziehung gesetzt werden:

Dabei bezeichnet \(\dot{\varepsilon }\) die Dehnungsgeschwindigkeit, σ die Bruchfestigkeit, Q die Aktivierungsenergie, R die universelle Gaskonstante, T die Verformungstemperatur, m die Dehnungsgeschwindigkeitsempfindlichkeit und A ist eine Konstante. Durch die Verwendung natürlicher Logarithmen auf beiden Seiten und der Annahme, dass die Temperatur während der gesamten Verformung konstant bleibt, ergibt sich Gl. (2) kann weiter vereinfacht werden als:

Unter Verwendung der Steigungen von ln(σ) und ln(\(\dot{\varepsilon }\)) kann die Dehnungsgeschwindigkeitsempfindlichkeit m entlang der verschiedenen Kristallorientierungen mithilfe der folgenden Beziehung ermittelt werden:

In dieser Arbeit wurde festgestellt, dass die Dehnungsgeschwindigkeitsempfindlichkeit m für die Orientierungen [111], [110] und [100] von Zinkblende-ZnSe-NW 0,0176, 0,029 bzw. 0,0209 beträgt; wie in Abb. 11 dargestellt. Daher hat die Dehnungsrate einen entscheidenden Einfluss auf das [110]-orientierte Zinkblende-ZnSe-NW. Diese hohe Empfindlichkeit entlang der [110]-Orientierung ist möglicherweise auf die Verformungsmechanismen zurückzuführen.

Spannungs-Dehnungs-Beziehung von (a) [111], (b) [110] und (c) [100]-orientierten ZnSe-NWs für unterschiedliche Dehnungsraten bei 300 K.

Die Spannungsgeschwindigkeitsempfindlichkeit von Zinkblende-ZnSe-NWs entlang dreier Kristallorientierungen bei 300 K.

Um die Dehnungsgeschwindigkeitsempfindlichkeit entlang verschiedener Kristallorientierungen zu erklären, haben wir uns in diesem Abschnitt zunächst die Potentialenergiekurven für drei verschiedene Kristallorientierungen angesehen. Die Abbildungen S4a–c (Hintergrundinformationen) zeigen die Kurven der potentiellen Energie pro Atom für [100]-, [110]- und [111]-gerichtete Zinkblende-ZnSe-NWs als Funktion der Spannung für verschiedene Spannungsraten. Wie in den Abbildungen zu sehen ist, weist die Potentialenergiekurve für unterschiedliche Verformungsgeschwindigkeiten für alle drei unterschiedlichen Kristallorientierungen eine ähnliche Natur auf, bevor das endgültige Bruchstadium erreicht wird. Aus Abb. S4b ist ersichtlich, dass für das [110]-kristallorientierte ZnSe-NW mit unterschiedlichen Dehnungsraten die Bruchdehnung, bei der die Potentialenergiekurve einen starken Abfall zeigt, im Vergleich zu den beiden anderen Richtungen erheblich abweicht. Daher weist dieser [110]-orientierte NW die größte Empfindlichkeit gegenüber der Dehnungsrate auf. Darüber hinaus haben wir auch die Verformungsmechanismen der drei verschiedenen kristallorientierten ZnSe-NWs für drei verschiedene Dehnungsraten untersucht, um eine qualitative und quantitative Erklärung der Dehnungsratenempfindlichkeit zu erhalten. Abbildung 12a–c zeigt die Verformungsmechanismen im Endstadium von [100]-, [110]- und [111]-orientierten Zinkblende-ZnSe-NWs bei Dehnungsraten von 108 s−1, 109 s−1 und 1010 s−1. jeweils. Diese Abbildungen zeigen die Variation des Verformungsverhaltens bei verschiedenen Dehnungsraten. Der Einfachheit halber haben wir gerade die [110]-orientierte NWs-Deformation erläutert. Abbildung 12b zeigt zwei Versetzungen, die an zwei verschiedenen Stellen im Nordwesten gleiten, wenn die Dehnungsrate für die [110]-Orientierung 108 s−1 betrug. Als die Dehnungsrate auf 109 s−1 erhöht wurde, wurde jedoch nur eine Spaltungsebene im Nordwesten beobachtet, was im krassen Gegensatz zu den Ergebnissen entlang der anderen beiden Ausrichtungen in Abb. 12a, c steht. Darüber hinaus wird eine Kombination verschiedener Spaltungsebenen beobachtet, wenn die Dehnungsrate auf ihren höchsten Wert von 1010 s−1 ansteigt. Sie sind durch Versetzungsgleiten und Deformationszwillinge an mehreren Stellen im Nordwesten mit kaskadierender Verbindung homogen kerngebildet. Wenn sich die Dehnungsrate ändert, zeigen [110]-orientierte NWs daher ein äußerst empfindliches Verhalten im Vergleich zu anderen NWs, die entlang der [100]- und [111]-Orientierungen ausgerichtet sind.

Variation in den Verformungsmechanismen von Zinkblende-ZnSe-NWs für drei verschiedene Zugspannungsraten entlang der (a) [100]-, (b) [110]- und (c) [111]-Orientierung.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das mechanische Zugverhalten und der Verformungsmechanismus von Zinkblende-ZnSe-NWs auf atomarer Ebene mithilfe von MD-Simulationen umfassend untersucht wurden. Die Bruchspannung, Bruchdehnung und der Elastizitätsmodul von Zinkblende-ZnSe-NWs wurden für verschiedene Kristallorientierungen, Temperaturen und Dehnungsraten untersucht. Obwohl Zinkblende-ZnSe-NW ein herkömmliches sprödes Verhalten zeigt, wurde keine Temperatur für den Übergang von spröde zu duktil identifiziert. Quadratisch geformte ZnSe-NWs zeigen bei allen betrachteten Durchmessern einen größeren Wert in Bezug auf Bruchfestigkeit und Elastizitätsmodul im Vergleich zu sechseckigen Formen. Wir fanden auch heraus, dass der Elastizitätsmodul und die Zugfestigkeit der NWs deutlich negativ mit der Temperatur korrelieren. In Bezug auf Endfestigkeit, Elastizitätsmodul und Bruchzähigkeit bietet die Belastungsrichtung [111] bei allen Temperaturen die höchsten Werte, während die Belastungsrichtung [100] die niedrigsten Werte liefert. Die NWs zeigen die höchste Bruchdehnung unter [100] Belastungsrichtungen. Bei der [100]-Orientierung ist zu beachten, dass die {111}-Ebenen die Deformationsebenen bei niedrigeren Temperaturen sind; Wenn umgekehrt die Temperatur auf einen höheren Wert erhöht wird, wird die {100}-Ebene aktiviert und fungiert als zweite Hauptspaltungsebene. Die Elastizitätsmoduli verschiedener Kristallorientierungen bei unterschiedlichen Dehnungsgeschwindigkeiten zeigen nahezu konstante Werte. Schließlich wurde festgestellt, dass die [110]-Richtung eine größere Empfindlichkeit gegenüber der Dehnungsrate aufweist als die beiden anderen Orientierungen. Wenn die Dehnungsrate auf ihren höchsten Wert von 1010 s−1 ansteigt, wird eine Kombination verschiedener Spaltungsebenen beobachtet. Sie sind durch Versetzungsgleiten und Deformationszwillinge an mehreren Stellen im Nordwesten mit kaskadierender Verbindung homogen keimbildend. Diese Arbeit bietet ein umfassendes Verständnis der mechanischen Eigenschaften und Bruchmechanismen von Zinkblende-ZnSe-NWs, die für die effektive Gestaltung zukünftiger nanoelektromechanischer Systeme nützlich sind.

Die während der aktuellen Studie verwendeten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

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ASM Jannatul Islam, Md. Sayed Hasan, Md. Sherajul Islam & Ashraful G. Bhuiyan

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Catherine Stampfl

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Jeongwon-Park

Fakultät für Elektrotechnik und Informatik, Universität Ottawa, Ottawa, ON, K1N 6N5, Kanada

Jeongwon-Park

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ASMJI führte die Simulationen unter der Aufsicht von MSI und AGB durch; MSI konzipierte die Arbeit; MSH führte die Datenkuratierung durch; CS und JP haben das Manuskript überprüft und geschrieben. Alle Autoren diskutierten, analysierten die Daten und leisteten Beiträge während der Erstellung des Manuskripts.

Korrespondenz mit Md. Sherajul Islam.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Islam, ASMJ, Hasan, MS, Islam, MS et al. Von der Kristallorientierung abhängiges mechanisches Zugverhalten und Verformungsmechanismen von Zinkblende-ZnSe-Nanodrähten. Sci Rep 13, 3532 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-30601-3

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Eingegangen: 11. Januar 2023

Angenommen: 27. Februar 2023

Veröffentlicht: 02. März 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-30601-3

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