Orientación del cristal

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 3532 (2023) Citar este artículo

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Los mecanismos de deformación de los cristales y los comportamientos mecánicos de los nanocables semiconductores (NW), en particular los ZnSe NW, exhiben una fuerte dependencia de la orientación. Sin embargo, se sabe muy poco sobre los mecanismos de deformación por tracción para diferentes orientaciones de cristales. Aquí, se explora la dependencia de las orientaciones de los cristales de las propiedades mecánicas y los mecanismos de deformación de los NW de ZnSe con mezcla de zinc mediante simulaciones de dinámica molecular. Encontramos que la resistencia a la fractura de los ZnSe NW orientados [111] muestra un valor más alto que la de los ZnSe NW orientados [110] y [100]. Los ZnSe NW de forma cuadrada muestran un mayor valor en términos de resistencia a la fractura y módulo elástico en comparación con una forma hexagonal en todos los diámetros considerados. Al aumentar la temperatura, la tensión de fractura y el módulo elástico presentan una fuerte disminución. Se observa que los planos {111} son los planos de deformación a temperaturas más bajas para la orientación [100]; por el contrario, cuando aumenta la temperatura, el plano {100} se activa y contribuye como segundo plano de escisión principal. Lo más importante es que los ZnSe NW dirigidos por [110] muestran la mayor sensibilidad a la velocidad de deformación en comparación con las otras orientaciones debido a la formación de muchos planos de escisión diferentes con velocidades de deformación crecientes. La función de distribución radial calculada y la energía potencial por átomo validan aún más los resultados obtenidos. Este estudio es muy importante para el desarrollo futuro de nanodispositivos y sistemas nanomecánicos basados en ZnSe NW eficientes y confiables.

Recientemente se ha demostrado experimentalmente1,2 y teóricamente3,4 que el comportamiento mecánico de los nanocables semiconductores (NW) exhibe una fuerte dependencia de la orientación. En los sistemas NW se observan propiedades mecánicas anisotrópicas significativas a lo largo de diferentes orientaciones cristalinas5,6,7. Otras propiedades físicas, incluida la conductividad eléctrica y térmica, la polarización piezoeléctrica, el índice de refracción, la reactividad de la superficie y la banda prohibida, se pueden alterar con precisión controlando las direcciones de crecimiento del cristal2,8,9,10. Existen diferencias entre las superficies laterales de las NW de wurtzita/mezcla de zinc que crecen en diferentes direcciones. Estas diferencias pueden alterar significativamente el mecanismo de deformación sobre el deslizamiento de dislocaciones perfectas y parciales y el hermanamiento de deformaciones11,12,13,14,15. Además, cuando la orientación de los cristales se combina con la temperatura y la velocidad de deformación, se producen diferentes mecanismos de deformación en los NO debido a la competencia entre las deformaciones globales y locales, la variación de activación de diferentes planos y la disparidad de influencia de las distancias interplanares16,17,18,19,20. ,21. Por lo tanto, una comprensión más profunda de las propiedades dependientes de la orientación de los cristales es esencial para la producción y funcionalidad de los NW en sus aplicaciones del mundo real.

Por otro lado, las aplicaciones únicas, la física microscópica y la fabricación de dispositivos a nanoescala, como diodos láser, fotodetectores, transistores de efecto de campo (FET) y células solares, hacen que los semiconductores NW sean extremadamente prometedores en estos campos de investigación. En particular, los ZnSe NW22 con mezcla de zinc han atraído una atención sustancial como materiales nanoelectrónicos de próxima generación debido a su excelente rendimiento con flexibilidad mecánica, transmitancia, conductividad y síntesis económica23,24,25,26. Además, la banda prohibida directa (~ 2,7 eV), el alto coeficiente de absorción, la electronegatividad adecuada y las propiedades no lineales únicas de la mezcla de zinc ZnSe lo convierten en un material potencialmente importante para aplicaciones de láser azul, guías de ondas ópticas, sistemas termoeléctricos, diodos emisores de luz, nanosensores, nanoactuadores, nanoresonadores y almacenamiento de información magnética27,28,29,30,31,32,33,34,35,36,37. Sin embargo, a pesar del considerable esfuerzo para evaluar las características electrónicas, térmicas y ópticas de los ZnSe NW con mezcla de zinc, tanto en teoría23,24,26,38,39 como en experimentos40,41,42,43,44,45,46, Hasta donde sabemos, no existe ningún estudio sobre sus propiedades mecánicas. En particular, los mecanismos de deformación por tracción para diferentes orientaciones de cristales no se han informado en la literatura. Además, también se desconoce la variación de la resistencia mecánica bajo diversas variables externas, como la temperatura y la velocidad de deformación, junto con la orientación.

En este trabajo, hemos empleado simulaciones de dinámica molecular (MD) para exponer la influencia de orientaciones de cristales como [100], [110] y [111] a diferentes temperaturas (que oscilan entre 100 y 600 K) y velocidades de deformación (que varían). de 1 × 108 s−1 nm a 1 × 1010 s−1) sobre las propiedades mecánicas de tracción y los mecanismos de deformación de la mezcla de zinc ZnSe NW. Para describir la interacción atomística de los sistemas NW de zinc-blenda ZnSe, se utilizó el potencial clásico de Stillinger-Weber (SW) desarrollado por Zhou et al.47. Además, hemos calculado la función de distribución radial y la energía potencial por átomo para dilucidar el comportamiento mecánico dependiente de la orientación y los mecanismos de deformación. Este trabajo aclara la dependencia de la orientación del cristal de las propiedades mecánicas de los ZnSe NW y lleva las aplicaciones prácticas de los nanodispositivos basados en ZnSe un paso más allá.

Las características mecánicas de tracción y los mecanismos de deformación de la mezcla de zinc ZnSe NW se exploraron mediante simulación MD utilizando el programa LAMMPS48. Para integrar las ecuaciones de movimiento habituales de Newton en el tiempo, se utilizó el enfoque Velocity Verlet con un paso de tiempo de 1 fs. El potencial Stillinger-Weber (SW) desarrollado por Zhou et al.47 se utilizó para definir las interacciones interatómicas entre átomos de los sistemas Zn-Se, Zn-Zn y Se-Se. Los modelos NW se crean formando una caja rectangular de mezcla de zinc ZnSe con a = 5,6676 Å como constante de red y luego creando NW a partir de un pilar rectangular definido utilizando la herramienta Atomsk49. El estudio considera la carga a lo largo de tres orientaciones de cristal: [100], [110] y [111]. Consideramos estructuras de nanopilares rectangulares que constan de ~ 23.520 a 23.800 átomos con una dimensión de ~ (34,35 nm × 3,97 nm × 3,97 nm) manteniendo una relación largo-ancho de 8,57:116,50. La Figura 1 muestra los modelos [100], [110] y [111] de mezcla de zinc ZnSe NW orientados a cristales con un área de sección transversal de ~ 15,76 nm2. Se examinaron las características mecánicas de tracción de los diferentes ZnSe NW de mezcla de zinc orientados a cristales en relación con diferentes temperaturas y velocidades de deformación. Las temperaturas variaron de 100 a 600 K, mientras que las tasas de deformación variaron de 1 × 108 s-1 a 1 × 1010 s-1. Para garantizar un espacio adecuado para que los NW se deformen libremente, se utilizó una superficie relativamente grande de 10 nm por 10 nm en el plano x-y. Para examinar más a fondo el impacto de la forma y el diámetro en el comportamiento mecánico de los ZnSe NW orientados a [111], también consideramos la estructura hexagonal además de la estructura cuadrada. El espesor y el diámetro de ambas formas variaron de ~4 a ~16 nm. En la Fig. S1 (Información de respaldo) se muestran ZnSe NW de forma cuadrada y hexagonal con diferentes espesores y diámetros.

Estructura inicial de la mezcla de zinc ZnSe NW (a) dirigida por [100], (b) dirigida por [110] y (c) dirigida por [111] con una dimensión de ~ 34 nm × 3,97 nm × 3,97 nm. El área de la sección transversal de todos los modelos NWS es de ~ 15,76 nm2.

Se utilizó el método del gradiente conjugado para realizar la minimización de energía. Después de eso, el sistema se relajó en el conjunto NPT (número de átomos, presión y temperatura constantes) a una temperatura determinada con presión cero aplicada en la dirección axial durante 40 ps. Finalmente, el sistema se relaja térmicamente durante 40 ps utilizando un conjunto canónico (NVT). En estos procedimientos, se utiliza un termostato Nose-Hoover para controlar la temperatura. La condición de frontera periódica se utilizó en la dirección axial, mientras que las condiciones de frontera fija se utilizaron en las otras dos direcciones. Examinamos la conservación de energía de ZnSe NW de mezcla de zinc en el conjunto NVE (número de átomos, volumen y energía constantes) para verificar la confiabilidad del paso de tiempo utilizado en nuestras simulaciones de MD. Como se demuestra en la Fig. S2a – c (Información de respaldo), la energía total de los NO considerados en este trabajo (orientados [111], [110] y [100]) permanece casi constante durante las simulaciones NVE, lo que demuestra que el tiempo El paso utilizado en nuestras simulaciones MD es apropiado. Además, se descubrió que la constante de red de ZnSe NW de mezcla de zinc es 5,6682 Å en la dirección x, lo que concuerda bien con los experimentos de Karzel et al.51 (5,6676 Å) y los cálculos de primeros principios de Okoye et al.38 ( 5,666 Å), Khenata et al.52 (5,624 Å) y Wang et al.53 (5,633 Å). Este resultado indica que el potencial SW utilizado en este trabajo puede explicar adecuadamente las interacciones atómicas en el cristal de ZnSe. Además, para explorar los mecanismos de deformación, todas las visualizaciones se realizan con el paquete OVITO54.

Después de la minimización de energía y la relajación estructural, empleamos una carga de tracción uniaxial a lo largo de la dirección longitudinal de los NW a una velocidad de deformación constante de 109 s-1. Esta es una tasa de deformación favorable para las simulaciones de MD debido a las restricciones computacionales y se ha utilizado eficazmente en varios estudios previos16,50. Debido a que experimentalmente se está utilizando una tasa de deformación considerablemente más baja, también se consideraron diferentes tasas de deformación para explorar la influencia de la tasa de deformación. En nuestros modelos, las tensiones atómicas se estiman utilizando el teorema de tensión de Virial55, que se adquiere como la media aritmética de las tensiones nativas en todos los átomos y tiene la expresión resultante:

donde Ω denota el volumen total del NO, mi denota la masa del átomo i, \({\dot{\text{u}}}_{i}\) denota la componente de velocidad del átomo i, \(\otimes \) es el producto cruzado, rij denota la distancia entre el átomo i y j y fij es la fuerza ejercida por el átomo j sobre el átomo i.

En los sistemas NW de semiconductores binarios de los grupos II-VI y III-V, debido a la polaridad cristalina del material y la combinación de baja energía y alta simetría de la dirección [111], los ZnSe NW tienden a crecer en una mezcla cúbica de zinc. estructura a lo largo de la dirección [111]56. Sin embargo, en los últimos años, los semiconductores no orientados [111] han atraído un interés creciente en términos de investigación fundamental y aplicaciones prometedoras debido a su excelente calidad de cristal y propiedades físicas distintivas57,58,59. Introduciendo numerosas técnicas de crecimiento, incluida la deposición química de vapor y el modo de crecimiento vapor-líquido-sólido de la epitaxia en fase de vapor organometálica a baja presión, el crecimiento selectivo de apilamiento de ZnSe NW libres de fallas a lo largo de [100], [110] y [ 112] se informan las orientaciones de los cristales56,60. Al mantener una conexión cruzada entre el diámetro, la longitud y las temperaturas de crecimiento de los NW, se muestra que el 99% del total de ZnSe NW crecen a lo largo de las direcciones de crecimiento [100], [110], [111] o [112] y son verificado mediante espectroscopia de fotoluminiscencia, difracción de rayos X y microscopía electrónica de transmisión59,61. Por lo tanto, comprender las propiedades mecánicas y el comportamiento de deformación de los NW de ZnSe cultivados a lo largo de las direcciones [100], [110] y [111] es fundamental para desarrollar y optimizar sus aplicaciones en diversos campos, como la nanoelectrónica y los sistemas nanoelectromecánicos.

En primer lugar, investigamos la importancia de la orientación de los cristales en el comportamiento de respuesta tensión-deformación de los ZnSe NW con mezcla de zinc. La Figura 2a revela las gráficas de tensión-deformación a temperatura ambiente de una mezcla de zinc-ZnSe NW de sección transversal cuadrada sometida a una carga de tracción uniaxial a una velocidad de deformación de 109 s-1 en las tres orientaciones de cristal [100], [110] y [ 111]. Como se puede observar, las curvas están compuestas en su mayoría por fases elástica y plástica. Podemos ver en estas curvas que a 300 K, la mezcla de zinc ZnSe dirigida por [111] tiene el comportamiento de tensión de fractura más alto, mientras que la dirección de carga [100] tiene la más baja. También se informaron tipos análogos de comportamiento de tensión de fractura dependiente de la orientación para CdSe, CdTe, InP, Ni-Co y SiGe NW16,17,18,62,63. Por el contrario, la mezcla de zinc ZnSe orientada [100] muestra una tensión de fractura más significativa que las otras dos direcciones del cristal. La razón detrás de esta mayor deformación de fractura requerida para deformar el NW orientado a [100] se discutirá más adelante en esta sección. El área debajo del comportamiento tensión-deformación se puede utilizar para calcular la tenacidad a la fractura, que es la cantidad de energía requerida antes de la falla16. El valor exacto de la tenacidad a la fractura del ZnSe a granel puede diferir dependiendo de varios factores, incluido el tamaño del grano, la estructura cristalina y la presencia de defectos o impurezas. Por otro lado, la tenacidad a la fractura de los NW de ZnSe puede depender del tamaño y la forma del NW, la dirección cristalina y la orientación del material con respecto a la tensión aplicada16,50. Este estudio encontró que debido a la estructura cristalina favorable, el ZnSe NW dirigido por [111] tiene la mayor tenacidad a la fractura, mientras que la dirección de carga [100] tiene el valor más bajo. Luego, utilizando una técnica gráfica, calculamos el módulo elástico para todos los sistemas NW en función de la pendiente de la curva tensión-deformación en la región lineal (hasta ≤ 1% de deformación). La pequeña región de deformación asegura que la configuración siga la ley de Hook y que se logre la destrucción elástica lineal. El módulo elástico estimado para tres orientaciones cristalinas de ZnSe NW con mezcla de zinc a 300 K con un espesor de ~ 4 nm es 50,08 GPa, 72,03 GPa y 74,46 GPa, respectivamente, a lo largo de [100], [110], y [111] orientaciones. La dirección [111] tiene un módulo elástico máximo de ~ 74,46 GPa, lo que indica que el ZnSe NW tiene una alta rigidez y es difícil de deformar. En la dirección de carga [111], la tensión de fractura máxima y el módulo elástico son causados por la energía superficial más baja de los materiales. Investigaciones anteriores han demostrado que la orientación del cristal [111] tiene la distancia atómica superficial más larga y, por lo tanto, la concentración más pequeña de átomos en la superficie, lo que le permite tener la energía superficial más baja, seguida de las orientaciones del cristal [110] y [100]64,65. Por lo tanto, cuando se aplica una fuerza de tracción en la dirección [111], la superficie [111] con la energía más baja tiene la capacidad más significativa para resistir la fractura64,65. Para explicar el efecto de las orientaciones NW en el rendimiento tensión-deformación, consideramos la vista ampliada de la superficie de la mezcla de zinc ZnSe NW a lo largo de las tres orientaciones, como se muestra en las figuras 1a-c. Desde la vista ampliada, se puede ver que la superficie NW dirigida por [100] muestra una estructura muy densa en comparación con las superficies NW dirigidas por [110] y [111]. Por lo tanto, la distancia atómica superficial del NO orientado a [100] mostrará un valor menor que las otras dos direcciones. Además, para indicar la distancia atómica de la superficie de diferentes NW, hemos calculado la energía potencial por átomo de ZnSe NW orientados [111], [110] y [100], que se muestran en la Fig. 2b. En la figura, se ha observado que como el NW orientado a [111] muestra una densidad superficial muy baja en comparación con las otras dos direcciones, la energía potencial por átomo con tensión cero muestra un valor más bajo para esa dirección, lo que significa su estabilidad estructural superior. y resistencia, incluida la resistencia a la fractura y el módulo elástico, en comparación con las otras direcciones.

(a) Respuesta tensión-deformación y (b) energía potencial/átomo de ZnSe NW de mezcla de zinc de 15,76 nm2 para diferentes orientaciones de cristal a 300 K.

Además, los ZnSe NW de mezcla de zinc con orientación [111] se pueden cultivar en diferentes formas con rangos de espesor de 8 a 30 nm o más1,2,56,60,61,66 utilizando epitaxia de haz molecular y la relación vapor-líquido-sólido. mecanismos. Para hacer que la próxima generación de nanotecnología sea más duradera y liviana, los investigadores y experimentadores también están trabajando arduamente para desarrollar NW de menor diámetro2. Por lo tanto, en este estudio, también hemos estudiado el comportamiento mecánico, como la tensión de fractura y el módulo elástico de ZnSe NW de forma cuadrada y hexagonal orientada a [111] con un espesor que varía de ~ 4 a ~ 16 nm. La relación tensión-deformación de ZnSe NW de forma cuadrada y hexagonal a 300 K para cuatro espesores o diámetros diferentes durante todo el proceso de tracción se muestra en las figuras 3a, b, respectivamente. Los resultados muestran que para ambos tipos de formas, la resistencia última a la tracción aumenta a medida que aumenta el espesor o diámetro de los NW; este resultado es consistente con otras variedades de semiconductores NW5,16,67,68,69. En particular, a medida que el espesor aumenta de ~ 4 a ~ 16 nm, la resistencia máxima a la tracción aumenta de 12,24 a 16,12 GPa para ZnSe NW de forma cuadrada. Por otro lado, la resistencia última a la tracción aumenta de 3,81 a 4,08 GPa para ZnSe NW de forma hexagonal con un aumento en el espesor de ~ 4 a ~ 16 nm. Para ZnSe NW de forma cuadrada y hexagonal con diferentes espesores, los módulos elásticos se determinan utilizando curvas de tensión-deformación con (deformación ≤ 1%) regresión lineal y se muestran en la Tabla 1. Comparamos nuestro módulo elástico calculado de zinc-blenda. ZnSe NW a 300 K con estudios publicados previamente52,53,70,71, como se muestra en la Tabla 1, para validar el potencial interatómico y el enfoque computacional empleado en este trabajo. Los resultados muestran la posibilidad de predecir correctamente las características mecánicas de las nanoestructuras de ZnSe utilizando el potencial interatómico SW. Investigaciones anteriores descubrieron que la elasticidad depende del tamaño2 y está restringida a NW con diámetros inferiores a 20 nm. Por lo tanto, nuestro trabajo también muestra una dependencia de tamaño similar, lo que confirma nuestra investigación. Lo más importante es que los ZnSe NW de forma cuadrada para todos los espesores considerados muestran un mayor comportamiento mecánico que los ZnSe NW de forma hexagonal. La energía potencial por átomo con tensión cero se muestra en la Fig. 3c, d, lo que explica por qué ocurre esta variación. Para espesores o diámetros similares, la energía potencial por átomo con tensión cero muestra una mayor negatividad para los NW de forma cuadrada en comparación con las formas hexagonales; verificar nuestros cálculos. Además, dado que el módulo elástico y la tensión de fractura aumentan al aumentar el espesor a una determinada temperatura, es evidente que el espesor del ZnSe NW tiene un impacto sustancial en sus características mecánicas de tracción. El efecto de decohesión de los átomos de la superficie, que es causado por la gran relación entre superficie y volumen de los NW, es la causa de sus características mecánicas dependientes del tamaño68,72,73. Además, la variación del comportamiento mecánico es causada por defectos de la red de NW, que son causados principalmente por los átomos de la superficie. Los átomos de la superficie se moverán hacia el interior del núcleo a medida que las coordenadas circundantes disminuyan, lo que provocará defectos en la red16. Sin embargo, los NW con mayor espesor son menos susceptibles a defectos superficiales en comparación con los NW con menor espesor y, por lo tanto, cuando el espesor aumenta, las características mecánicas como el módulo elástico y la tensión de fractura del ZnSe NW muestran una naturaleza creciente.

Efecto del espesor o diámetro sobre las curvas de respuesta tensión-deformación de ZnSe NW de mezcla de zinc orientada a [111] en (a) forma cuadrada y (b) forma hexagonal a 300 K. Energía potencial/átomo dependiente del espesor de [111] Mezcla de zinc orientada ZnSe NW en formas (c) cuadrada y (d) hexagonal a 300 K.

La temperatura es un poderoso parámetro externo que puede afectar significativamente el comportamiento mecánico del NW. El comportamiento frágil o dúctil de los semiconductores NW puede verse afectado significativamente por la temperatura y las condiciones de carga5,16,67,68,69,74. A altas temperaturas, la energía térmica puede hacer que los enlaces entre los átomos se debiliten, haciendo que el material sea más propenso a la deformación plástica y resultando en una respuesta más dúctil. Por otro lado, las bajas temperaturas pueden hacer que el material sea más frágil, con una menor cantidad de deformación plástica antes de la fractura. Aquí, realizamos varias simulaciones MD para numerosas temperaturas para explorar la dependencia de la temperatura del comportamiento mecánico y el mecanismo de deformación de ZnSe NW con mezcla de zinc. La Figura 4a-c muestra las gráficas de tensión-deformación de ZnSe NW con mezcla de zinc para varias orientaciones de cristal a temperaturas que oscilan entre 100 y 600 K. Como lo demuestran las figuras, cuando la temperatura aumenta de 100 a 600 K, la tensión de fractura y la La tensión de fractura disminuye drásticamente. Además, el pico en la curva tensión versus deformación se vuelve suave en lugar de abrupto, y la variación de la tensión en las vueltas de la parte de distorsión plástica es mínima. Por lo tanto, la mezcla de zinc ZnSe NW exhibe un comportamiento frágil convencional y no se identifica ninguna temperatura para la transición de frágil a dúctil. Las curvas tensión-deformación a varias temperaturas se utilizan para calcular la resistencia última a la fractura y el módulo elástico (que se muestran en las figuras 5a, b). A una temperatura de 100 K, el ZnSe NW tiene una tensión de fractura máxima de ~ 10,46 GPa, ~ 12,82 GPa y ~ 14,79 GPa, a lo largo de las direcciones [100], [110] y [111], respectivamente. La tensión de fractura cae a ~ 5,65 GPa, ~ 7,56 GPa y ~ 9,29 GPa a lo largo de las direcciones [100], [110] y [111], respectivamente, tan pronto como la temperatura aumenta a 600 K. La tensión de fractura del La mezcla de zinc ZnSe NW disminuye en 45,98%, 41,02% y 37,24% a lo largo de las tres direcciones cuando la temperatura aumenta a 600 K. Al igual que la tensión de fractura, el módulo elástico estimado también muestra una tendencia decreciente al aumentar la temperatura. Como se muestra en la Fig. 5b, cuando la temperatura aumenta de 100 a 600 K, el módulo elástico disminuye de ~ 61,27 a ~ 42,99 GPa, ~ 81,67 a ~ 63,56 GPa y ~ 84,69 a ~ 67,37 GPa a lo largo de [100], [ 110] y [111] direcciones, respectivamente. El módulo de elasticidad de la mezcla de zinc ZnSe NW disminuye en un 29,84%, 22,16% y 20,45% en las tres direcciones cuando la temperatura se eleva a 600 K. Debido a los diferentes efectos, como la expansión térmica, una mayor movilidad atómica y Difusión rápida del volumen libre a altas temperaturas, el módulo elástico disminuye a medida que aumenta la temperatura. Además, la Fig. 5a muestra que la tasa de disminución de la tensión de fractura con la temperatura es más significativa para la orientación [100] y más baja para la orientación [111]. De manera similar, para las tres orientaciones de los cristales, la tasa de reducción del módulo elástico con la temperatura también es mayor para la orientación [100] y más baja para la orientación [111]. En una sección posterior, veremos los mecanismos de deformación de diferentes NW orientados a cristales que causan esta variación de tendencia reductora. La energía potencial es una medida válida para cuantificar la tendencia reductora de la resistencia mecánica para diferentes orientaciones, que ya hemos mostrado y explicado en la Fig. 2b. Además, la energía total por átomo antes de la deformación se puede utilizar para determinar por qué la resistencia mecánica disminuye al aumentar la temperatura. Por lo tanto, las curvas de energía total por átomo de ZnSe NW con mezcla de zinc orientada [111], [110] y [100] para seis temperaturas diferentes antes de la deformación por tracción se presentan en las figuras S2a-c (Información de respaldo). Antes de aplicar la fuerza de tracción, se utilizan 40.000 pasos MD para el equilibrio. Sin embargo, la figura muestra sólo los primeros 20.000 pasos MD para todas las temperaturas consideradas. Como se puede ver en la Fig. S2, los ZnSe NW de mezcla de zinc para todas las diferentes orientaciones de cristal muestran un comportamiento estable después de pasos de 1000 MD a todas las temperaturas. Además, a medida que la energía cinética de los átomos aumenta con la temperatura, también lo hace nuestra curva de energía total calculada por átomo, con un valor más alto encontrado para 600 K para todas las orientaciones, lo que indica que las estructuras son menos estables que para las mezclas de zinc ZnSe NW a 100 K. K. Por lo tanto, una energía de deformación más baja es suficiente para deformar el NW cuando aumenta la temperatura.

Respuesta tensión-deformación de (a) [100], (b) [110] y (c) [111] ZnSe NW de mezcla de zinc de 15,76 nm2 orientados a diferentes temperaturas.

(a) Esfuerzo de fractura y (b) Módulo elástico de ZnSe NW de mezcla de zinc de 15,76 nm2 para diferentes direcciones de carga de cristales con diferentes temperaturas.

La función de distribución radial (RDF), g(r), muestra cómo la densidad de los átomos vecinos alrededor de un átomo en particular varía en función de la distancia. La distribución alrededor de ese átomo se calcula por la distancia entre el átomo objetivo específico y los átomos vecinos17,75. La temperatura tiene un efecto significativo sobre la función g(r). Debido al aumento de temperatura, se producen importantes vibraciones reticulares en las disposiciones atómicas y las distancias de separación de los distintos pares formados en los sistemas también muestran un comportamiento cambiante. Hemos estimado el RDF a tres temperaturas diferentes para dilucidar cualitativamente el rendimiento mecánico dependiente de la temperatura. La Figura S3a-c (Información de respaldo) muestra los RDF dependientes de la temperatura de los pares Zn-Zn, Zn-Se y Se-Se del sistema ZnSe. Los picos g(r) son extremadamente altos y delgados a una temperatura baja de 100 K, lo que indica una estructura cristalina sólida, bien ordenada y compacta. Sin embargo, las partículas se vuelven más energéticas cuando la temperatura aumenta y oscilan desde su posición de equilibrio. Como resultado, la altura de los picos g(r) disminuye. Al mismo tiempo, la amplitud se expande, lo que indica que el número de estructuras cristalinas ordenadas se reduce mientras que el número de estructuras desordenadas aumenta a medida que aumenta la temperatura. Como resultado, cuando la estructura está a una temperatura más alta, se requiere una cantidad menor de fuerza uniaxial para romperla que cuando está a una temperatura más baja. Esta forma de función RDF con temperatura creciente denota la causa de la pérdida de resistencia mecánica a altas temperaturas, lo cual es consistente con investigaciones previas17.

Los mecanismos de deformación a diferentes valores de deformación pueden usarse para explicaciones cuantitativas y cualitativas del comportamiento mecánico76,77,78,79. En primer lugar, para explorar los efectos de las orientaciones de los cristales, en las Figs. 6, 7 y 8, respectivamente. Según los hallazgos, el inicio de la grieta de los ZnSe NW orientados [100] (que se muestran en la Fig. 8) comienza con un valor de deformación más alto en comparación con el de los ZnSe NW orientados [111] y [110], lo que demuestra nuestro hallazgo de Figura 2a. Ahora surge la pregunta: aunque la tensión desarrollada a lo largo de la orientación [100] es menor en comparación con las orientaciones [111] y [110], ¿por qué esta orientación muestra una mayor deformación durante su deformación? Ya hemos explicado que la energía superficial de los ZnSe NW orientados en [111] es menor en comparación con las orientaciones [110] y [100] y, por lo tanto, [111] exhibe una mejor tensión de fractura y un módulo elástico. Sin embargo, la distancia atómica entre los átomos a lo largo de la dirección [111] (que se muestra en la Fig. 1c) es grande en comparación con la dirección [100] y, por lo tanto, una menor extensión de tensión de tracción uniaxial en comparación con la dirección [100] facilita la iniciación del crack. Finalmente, la estructura se deforma en muy poco tiempo. Además, se ha informado que a temperatura ambiente o temperaturas más bajas, debido a su naturaleza completamente activada sobre otros planos, el plano {111} puede dominar la nucleación de escisión cuando se aplica una fuerza en su dirección. También se informaron resultados similares para las propiedades mecánicas de los NW dirigidos por [111] para CdSe, CdTe e InP NW16,50,62.

Los perfiles de deformación por tracción de [111] dirigieron ZnSe NW de mezcla de zinc de 15,76 nm2 para varios niveles de deformación a una temperatura de 300 K. En la vista ampliada se muestra el plano de escisión inducido por deslizamiento de dislocación a lo largo de un ángulo de 45 ° con la tensión aplicada.

Los perfiles de deformación por tracción de [110] dirigieron ZnSe NW de mezcla de zinc de 15,76 nm2 para varios niveles de deformación a 300 K. En la vista ampliada se muestra el plano de escisión inducido por deslizamiento de dislocación a lo largo de un ángulo de 45 ° con la tensión aplicada.

Los perfiles de deformación por tracción de [100] dirigieron ZnSe NW de mezcla de zinc de 15,76 nm2 para varios niveles de deformación a 300 K. La vista ampliada muestra el plano de escisión {111} inducido por el deslizamiento de la dislocación a lo largo de un ángulo de 45° con la tensión aplicada.

Utilizando un razonamiento similar al anterior, la energía superficial de los ZnSe NW orientados a [100] es muy alta en comparación con las direcciones [111] y [110] y, por lo tanto, [100] muestra una tensión de fractura y un módulo elástico más bajos. Aquí, como la distancia atómica entre los átomos a lo largo de la dirección [100] es menor que las otras orientaciones (que se muestran en la Fig. 1a), la nucleación de una grieta a lo largo del plano {100} demandaría una cantidad considerable de energía. Además, como la unión muestra una fuerte rigidez, se necesita una tensión de tracción más significativa para deformar la estructura. Como se muestra en la Fig. 8, se puede observar que a temperatura ambiente, los NO dirigidos por [100] necesitan un valor de deformación grande del 21,875% para iniciar la deformación de la estructura en comparación con otras orientaciones debido al predominio de la distancia interatómica más pequeña, lo que produce una enorme fuerza electrostática de atracción entre los planos50. A temperatura ambiente a lo largo de la orientación [100], debido al predominio de su distancia interplanar más pequeña, el plano {100} no se activó completamente y, por lo tanto, el plano de escisión {111} se activó con la tensión aplicada y produjo el resultado de una fractura más baja. estrés con mayor tensión. En la literatura también se pueden encontrar resultados similares a lo largo del comportamiento mecánico de NW orientados a [100] para las propiedades mecánicas de CdTe y SiGe ZB NW62,67. Además, para los NW de mezcla de zinc, la principal fuente de deformaciones nativas que crean el colapso del NW es la nucleación y transmisión de dislocaciones mediante deslizamiento parcial, deslizamiento total o macla. Como la barrera de energía para la nucleación de la dislocación es menor en los bordes que en las caras o en el conjunto, la disrupción se origina en uno de los bordes del NW, circula a través de la sección transversal y finalmente forma una de las deformaciones locales. Para los NW orientados a [110] y [111], se ha observado que el deslizamiento de dislocación se inicia en los bordes izquierdo o derecho de las estructuras. Un tipo de plano de escisión crea un ángulo de deformación de 45° con la dirección de la fuerza de tracción.

Al igual que con el aumento de temperatura, todas las diferentes orientaciones muestran una tendencia a la reducción en el comportamiento mecánico, y especialmente el ZnSe NW orientado [100] muestra una mayor reducción. Aquí, solo hemos considerado la propagación de tensiones y el patrón de deformación del ZnSe orientado [100] a 600 K para comprender los efectos del aumento de temperaturas. Los perfiles de deformación de ZnSe NW orientados a [100] a 600 K se representan en la Fig. 9. El proceso de fracturación de ZnSe NW orientado a [100] comenzó con el inicio de una grieta con una deformación del 21,50% y terminó con la falla final a 21,875% de deformación a 300 K de temperatura. Cuando la estructura está a 600 K, la grieta se inicia con un valor de deformación del 18,50%. Esto sucede porque los enlaces atómicos del cristal de mezcla de zinc y ZnSe experimentan más fluctuaciones térmicas a temperaturas más altas, lo que eventualmente hace que los enlaces químicos se debiliten16,50. Además, como la influencia de las vibraciones térmicas es muy alta a temperaturas más altas, una tensión mínima es suficiente para romper la unión y crear el vacío, destruyendo los prístinos NW16,50. Después del inicio de la fractura, la grieta comienza a ramificarse y el mayor desplazamiento atómico ocurre en la dirección de carga. La generación inicial de grietas y el eventual colapso ocurren casi al mismo nivel de deformación, lo que sugiere una falla frágil. A una temperatura de 300 K, notamos que con una deformación del 21,625%, comenzaron a formarse fracturas en una única ubicación de los NW (como lo ilustran los bloques rojos en la Fig. 8), y los enlaces comenzaron a romperse con una deformación de alrededor del 21,875%. Esto sucedió porque la estructura solo experimenta una modesta vibración térmica a bajas temperaturas, lo que evita que la distorsión y la tensión se propaguen rápidamente desde la ruptura inicial del enlace en el NW hasta toda la disposición y la falta de activación en el plano {100}. Sin embargo, cuando la temperatura es considerablemente alta y aumenta a 600 K, la magnitud y la tasa de vibración atómica aumentan y los átomos pueden viajar con más facilidad desde su ubicación de equilibrio, lo que aumenta la distancia interatómica media y activa fuertemente el plano {100}. Como resultado, a mayor temperatura, se reduce la importancia comparativa de la distancia interplanar. Las grietas se inician en dos lugares diferentes (indicados por bloques punteados en forma de cuadrado rojo) debido a los efectos combinados del plano {111} (que forma un ángulo de 45° con la dirección de tensión) y el plano {100} (que forma un ángulo de 90° con la dirección de tensión)16,50. Debido a la activación de dos tipos de planos a medida que aumenta la temperatura, la tensión de fractura y el módulo elástico de los NW de ZnSe con mezcla de zinc disminuyen rápidamente y los NW colapsan a niveles de deformación muy bajos.

Los perfiles de deformación por tracción de [100] dirigieron 15,76 nm2 de mezcla de zinc ZnSe NW para varios niveles de deformación a 600 K. La vista ampliada muestra el plano de escisión {100} inducido por el deslizamiento de la dislocación a lo largo de un ángulo de 90° con la tensión aplicada.

Vale la pena señalar que las simulaciones MD son computacionalmente intensivas y las simulaciones con tasas de deformación más bajas necesitan tiempos computacionales muy largos50,80. Por lo tanto, en los últimos tiempos, la mayoría de los ensayos de tracción que utilizan simulación MD se han realizado a tasas de deformación de 108 a 1010 s-1, que son muy populares, computacionalmente eficientes y pueden predecir la descripción experimental de los sistemas considerados2,5,16 ,67. Además, las altas tasas de deformación en simulaciones MD permiten estudiar el comportamiento mecánico de materiales bajo condiciones de carga extremas que pueden ser difíciles o imposibles de obtener experimentalmente80,81,82. Se ha informado que debido a la variación de las tasas de deformación de baja a alta, hay un cambio principalmente en las fases plásticas de las curvas tensión-deformación, lo que es responsable de la variación de la resistencia última a la tracción y la tenacidad. En la fase plástica de los NW, se inducen diferentes mecanismos de falla, incluido el deslizamiento parcial, el deslizamiento por dislocación, el hermanamiento, la reorientación, el estrechamiento, la amorfización, etc., con diferentes velocidades de deformación83. Además, la diferencia en las tasas de deformación entre las simulaciones y los experimentos puede afectar el comportamiento frágil o dúctil observado de los semiconductores NW. En general, tasas de deformación más pequeñas pueden conducir a una deformación plástica más gradual, lo que puede resultar en una respuesta más dúctil caracterizada por una mayor cantidad de deformación plástica antes de la falla. Sin embargo, el comportamiento frágil o dúctil basado en una tasa de deformación más pequeña de los NW semiconductores puede verse influenciado por el tamaño y la forma de los NW, la estructura y orientación del cristal, la presencia de defectos e impurezas, y la temperatura y las condiciones de carga.

En este estudio, hemos considerado tasas de deformación de 108 s-1 a 1010 s-1 a 300 K para explorar sus consecuencias sobre el comportamiento mecánico de ZnSe NW para tres orientaciones de cristal. La Figura 10 muestra los efectos de numerosas velocidades de deformación que varían de 108 s-1 a 1010 s-1 en el rendimiento tensión-deformación de ZnSe mezcla de zinc orientado [111], [110] y [100] con una sección transversal. área de ~ 15,76 nm2. Antes de alcanzar el punto de tensión máxima, el comportamiento tensión-deformación del material es independiente de las tasas de deformación, lo que significa que las tasas de deformación no influyen en el módulo elástico. Sin embargo, para los ZnSe NW de mezcla de zinc, cuando la tasa de deformación disminuye, tanto la tensión de fractura como la deformación de fractura disminuyen. Esta caída se debe a que la fluctuación de temperatura y la relajación de la tensión se favorecen a una velocidad de deformación más lenta porque los átomos tienen más tiempo para responder. Como resultado, el enlace se rompe antes porque los átomos pueden cruzar la barrera de energía con una tensión más baja. Por otro lado, el tiempo insuficiente para relajarse a una tasa de deformación más alta crea fluctuaciones rápidas en los átomos, lo que hace que las grietas comiencen a nuclearse desde diferentes regiones del NO simultáneamente y se propaguen instantáneamente. Por lo tanto, se encuentran ligeras distorsiones en la gráfica tensión-deformación correspondiente a una tasa de deformación de 1010 s-1. Además, cuando aumenta la tasa de deformación, tanto la resistencia a la rotura como la deformación aumentan, lo que es consistente con observaciones previas de NW de mezcla de zinc comparables16,50,84. La Tabla 2 enumera los parámetros de tensión de falla y módulo elástico obtenidos de la Fig. 10. Debido a que las pendientes de las curvas tensión-deformación en el área elástica durante la deformación coinciden para diferentes velocidades de deformación, se determina que el módulo elástico es independiente de la velocidad de deformación. La relación entre la resistencia última a la fractura de la mezcla de zinc ZnSe NW a lo largo de una orientación cristalina particular y la tasa de deformación puede relacionarse mediante la ecuación de Arrhenius de 77:

donde \(\dot{\varepsilon }\) significa la tasa de deformación, σ significa la resistencia a la fractura, Q significa la energía de activación, R es la constante universal de los gases, T es la temperatura de deformación, m es la sensibilidad a la tasa de deformación y A es una constante. Usando logaritmos naturales en ambos lados y suponiendo que la temperatura permanece constante durante toda la deformación, la Ec. (2) se puede simplificar aún más como:

Usando las pendientes de ln(σ) y ln(\(\dot{\varepsilon }\)), la sensibilidad m de la tasa de deformación a lo largo de las diferentes orientaciones del cristal se puede obtener usando la siguiente relación:

Aquí, en este trabajo, se encontró que la sensibilidad de la velocidad de deformación m para las orientaciones [111], [110] y [100] de la mezcla de zinc ZnSe NW era 0.0176, 0.029 y 0.0209, respectivamente; como se muestra en la Fig. 11. Por lo tanto, la velocidad de deformación tiene un efecto crucial en la mezcla de zinc orientada [110] ZnSe NW. Esta alta sensibilidad a lo largo de la orientación [110] puede haber ocurrido debido a sus mecanismos de deformación.

Relación tensión-deformación de ZnSe NW orientados (a) [111], (b) [110] y (c) [100] para diferentes velocidades de deformación a 300 K.

La sensibilidad a la velocidad de deformación de la mezcla de zinc ZnSe NW a lo largo de tres orientaciones cristalinas a 300 K.

Para explicar la sensibilidad a la tasa de deformación a lo largo de diferentes orientaciones de cristal, primero observamos las curvas de energía potencial para tres orientaciones de cristal diferentes en esta sección. Las Figuras S4a-c (Información de respaldo) muestran las curvas de energía potencial por átomo para ZnSe NW de mezcla de zinc dirigido a [100], [110] y [111] en función de la deformación para diferentes velocidades de deformación. Como se ve en las figuras, para las tres orientaciones diferentes de los cristales, la curva de energía potencial para diferentes velocidades de deformación muestra una naturaleza similar antes de llegar a la etapa de ruptura final. En la figura S4b, se puede observar que para el ZnSe NW orientado a cristales [110] con diferentes velocidades de deformación, la deformación de fractura en la que la curva de energía potencial muestra una fuerte disminución se desvía considerablemente en comparación con las otras dos direcciones. Por lo tanto, este NW orientado a [110] demuestra la sensibilidad a la tasa de deformación más significativa. Además, también hemos explorado los mecanismos de deformación de los tres ZnSe NW orientados a cristales diferentes para tres velocidades de deformación diferentes para una explicación cualitativa y cuantitativa de la sensibilidad a la velocidad de deformación. Las Figuras 12a-c representan los mecanismos de deformación de la etapa final de ZnSe NW con mezcla de zinc orientada [100], [110] y [111] a velocidades de deformación de 108 s-1, 109 s-1 y 1010 s-1. respectivamente. Estas figuras muestran la variación en los comportamientos de deformación para diferentes velocidades de deformación. Por simplicidad, acabamos de dilucidar la deformación NW orientada a [110]. La Figura 12b muestra dos dislocaciones que se deslizan en dos ubicaciones diferentes del NO cuando la tasa de deformación fue de 108 s-1 para la orientación [110]. Sin embargo, cuando la velocidad de deformación se incrementó a 109 s-1, solo se observó un plano de escisión en el noroeste, lo que contrasta fuertemente con los hallazgos en las otras dos orientaciones que se muestran en las figuras 12a,c. Además, se observa una combinación de diferentes planos de escisión cuando la velocidad de deformación aumenta a su valor más alto de 1010 s-1. Se nuclean homogéneamente mediante dislocación, deslizamiento y deformación por macla en varios lugares del NO con una conexión en cascada. Como resultado, cuando cambia la tasa de deformación, los NW orientados a [110] exhiben un comportamiento altamente sensible en comparación con otros NW orientados a lo largo de las orientaciones [100] y [111].

Variación en los mecanismos de deformación de ZnSe NW de mezcla de zinc para tres velocidades de deformación por tracción diferentes a lo largo de las orientaciones (a) [100], (b) [110] y (c) [111].

En conclusión, el comportamiento mecánico a la tracción y el mecanismo de deformación de los ZnSe NW con mezcla de zinc se han estudiado ampliamente a nivel atomístico mediante simulaciones MD. La tensión de fractura, la deformación de fractura y el módulo elástico de ZnSe NW con mezcla de zinc se han investigado para diferentes orientaciones de cristales, temperaturas y velocidades de deformación. Aunque la mezcla de zinc ZnSe NW exhibe un comportamiento frágil convencional, no se identifica ninguna temperatura para la transición de frágil a dúctil. Los ZnSe NW de forma cuadrada muestran un mayor valor en términos de resistencia a la fractura y módulo elástico en comparación con las formas hexagonales en todos los diámetros considerados. También encontramos que el módulo elástico y la resistencia máxima a la tracción de los NW están significativamente correlacionados negativamente con la temperatura. En términos de resistencia última, módulo elástico y tenacidad a la fractura, la dirección de carga [111] ofrece los valores más altos a todas las temperaturas, mientras que la dirección de carga [100] produce los valores más bajos. Los noroestes muestran la mayor deformación de fractura bajo [100] direcciones de carga. Se observa para la orientación [100] que los planos {111} son los planos de deformación a temperaturas más pequeñas; por el contrario, cuando la temperatura aumenta a un valor más alto, el plano {100} se activa y contribuye como segundo plano de escisión principal. Los módulos elásticos de diferentes orientaciones cristalinas a diferentes velocidades de deformación muestran valores casi constantes. Finalmente, se ha descubierto que la dirección [110] exhibe una mayor sensibilidad a la tasa de deformación que las otras dos orientaciones. Cuando la tasa de deformación aumenta a su valor más alto de 1010 s-1, se observa una combinación de diferentes planos de escisión. Están nucleados de forma homogénea mediante dislocaciones, deslizamientos y deformaciones hermanadas en varios lugares del noroeste con una conexión en cascada. Este trabajo ofrece una comprensión integral de las propiedades mecánicas y los mecanismos de fractura de ZnSe NW con mezcla de zinc, que son útiles para diseñar eficazmente futuros sistemas nanoelectromecánicos.

Los conjuntos de datos utilizados y/o analizados durante el estudio actual están disponibles del autor correspondiente previa solicitud razonable.

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Catherine Stampfl

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Parque Jeongwon

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Parque Jeongwon

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ASMJI realizó las simulaciones bajo la supervisión de MSI y AGB; MSI concibió el trabajo; MSH realizó la curación de datos; CS y JP revisaron y escribieron el manuscrito. Todos los autores discutieron, analizaron los datos y contribuyeron durante la redacción del manuscrito.

Correspondencia al Md. Sherajul Islam.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Islam, ASMJ, Hasan, MS, Islam, MS et al. Comportamiento mecánico de tracción dependiente de la orientación del cristal y mecanismos de deformación de nanocables de ZnSe mezcla de zinc. Representante científico 13, 3532 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-30601-3

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Recibido: 11 de enero de 2023

Aceptado: 27 de febrero de 2023

Publicado: 02 de marzo de 2023

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

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