مدل سازي تحول نابجايي ها در سيليكون دو كريستاله با در نظر گرفتن اثرات تغييرات دما با استفاده از روش ديناميك مولكولي و ميدان فاز

اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان

مهندسي مكانيك

دكتري

نابجايي‌ها، به عنوان يكي از مهم‌ترين عيوب ساختاري، نقش عمده‌اي در تعيين خواص و رفتار بسياري از مواد ايفا مي‌نمايند. در اين رساله، مطالعه چگونگي پيدايش و رشد نابجايي‌ها در سيليكون دو كريستاله در ابعاد نانو با استفاده از روش ديناميك مولكولي و ميدان فاز مورد بررسي قرار گرفته است. در ابتدا، به كمك محاسبات ديناميك مولكولي، رفتار سيليكون دو كريستاله تحت تنش برشي و در دماهاي مختلف كاري، در سه ساختار مرزدانه‌اي پركاربرد آن شامل ساختارهاي 3∑، 9∑ و 19∑ شبيه‌سازي شده است. سپس به بررسي كمي و كيفي چگونگي شكل‌گيري نابجايي‌ها پرداخته شد. اين بررسي شامل اندازه‌گيري تنش شكل‌گيري اولين نابجايي‌ها، تعداد نابجايي‌ها، سرعت نابجايي‌ها، مقدار انرژي حالت پايداري سه ساختار مختلف دوكريستاله سيليكون، مقدار انرژي تلف شده در اثر ايجاد نابجايي‌ها، مساحت ناحيه بي‌شكل و طول نابجايي بود. همچنين رصد گرافيكي رشد و انتقال نابجايي‌ها از يك كريستال به كريستال مجاور، تغييرشكل پله‌اي ايجاد شده در مرز دانه در اثر شكل‌گيري اولين نابجايي‌ها و وقوع پديده بي‌شكل شدن مورد بررسي قرار گرفت. تغييرات هر يك از موارد فوق در بارگذاري‌هاي مختلف شامل اعمال تنش‌هاي برشي خارجي ضمن تغيير دماي كاري مورد بررسي قرار گرفته است. مهم‌ترين جنبه نو آوري رساله حاضر، بررسي تغييرات وابسته به دماي پارامترهاي فوق‌الذكر مي‌باشد. همچنين نوع بارگذاري توصيف شده يكي از جنبه‌هاي نوآورانه اين رساله مي‌باشد. شبيه‌سازي‌هاي انجام شده در ديناميك مولكولي در نرم‌افزارهاي آووگادرو، وي‌ام‌دي انجام و در اويتو نمايش داده شده است. پس از ثبت كمي و توصيف كيفي نتايج به‌دست آمده از شبيه‌سازي‌هاي ديناميك مولكولي، اين نتايج براي استخراج برخي پارامترهاي ورودي‌هاي تحليل ميدان فاز مورد استفاده قرار گرفتند. هدف از تحليل اين داده‌ها در ميدان فاز، تعريف پارامترهاي مختلف براي انرژي هلمهولتز سيستم و حل معادله گينزبرگ-لاندا بود كه با استفاده از همين تحليل، چگونگي پيدايش، رشد، تعداد و تنش نابجايي‌ها تعيين ‌گرديد. جهت تعريف پارامترهاي مورد نياز در رابطه انرژي آزاد هلمهولتز و معادله گينزبرگ-لاندا از نتايج به‌دست آمده از محاسبات ديناميك مولكولي استفاده گرديد. به عبارت ديگر، در بخش ميدان فاز، كوپل مكانيك-ميدان فاز با روش اجزاء محدود به كمك نرم‌افزار كامسول مورد بررسي قرار گرفت. مقايسه‌اي بين نتايج مدل ميدان فاز و نتايج ناشي از محاسبات ديناميك مولكولي صورت پذيرفت. در نهايت، مشخص گرديد كه با افزايش دما و همچنين افزايش تنش برشي اعمالي خارجي بر المان شبيه‌سازي، سرعت نابجايي‌ها، تعداد نابجايي‌ها، تنش شكل‌گيري اولين نابجايي و تنش بيشينه در المان شبيه‌سازي همگي افزايش مي‌يابند. اين ميزان افزايش در ساختار 19∑ بيش‌تر و در ساختار 3∑ كم‌تر از ساير ساختارها مشاهده شد. اين موضوع نشأت گرفته از تأثير ساختار و مرز سيليكون‌هاي دوكريستاله است. شايان ذكر است كه بررسي تأثير همزمان تغيير دماي كاري و همچنين تنش برشي خارجي اعمال شده بر ساختارهاي سه¬گانه دوكريستاله سيليكون از ديگر جنبه‌هاي نوآورانه رساله محسوب مي‌شود كه تحليل نتايج آن در ديناميك مولكولي و ميدان فاز، به ارائه نتايج تفصيلي مناسب از اين بررسي منجر گرديده است.

234809

طراحي كاربردي

مهندسي مكانيك

دانشگاه صنعتي اصفهان