黑磷与类黑磷结构材料的力学性质研究

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二维材料在过去十年中因其出色的物理性质而引起了极大的关注,被认为在未来电子器件中有广泛的应用前景。由于沿层厚方向的约束减小,二维材料往往体现出与其块体结构不一样的力学性质,因此有必要对二维材料力学性质,特别是在受外载下的破坏展开相应研究,为它作为未来电子器件核心部件的应用提供基础。同时,二维材料异质结也有很大的应用潜力,他可以将两种或更多材料通过范德瓦尔兹力组合到一起,这样,异质结结构就有可能获得更广泛的性质。本文对二维黑磷、硒化锡以及黑磷-硒化锡异质结进行了系统理论研究分析。本文主要采用第一性原理的计算方法,对黑磷及类黑磷结构在受拉伸情况下的弹性模量、抗拉强度、结构变化、泊松比等性能进行模拟计算与分析。通过计算获得了不同层厚、拉伸方向、不同结构体系的应力-应变曲线以及拉伸过程中的结构变化,分析与讨论了黑磷与类黑磷结构在外载下的力学性质以及破坏行为。通过系统的第一性原理计算与分析,我们获得了如下主要结论:1、对于黑磷及类黑磷结构,层数对其抗拉强度、断裂应变以及弹性常数均有一定影响,层数越少抗拉强度越大,材料弹性常数也越大;同时黑磷及类黑磷结构展现了较强的各向异性,zigzag方向的抗拉强度显著高于沿armchair方向抗拉强度。2、单层黑磷具有负泊松比现象,但多层黑磷不具有。与黑磷不同,我们的计算结果表明,单层和双层硒化锡均具有负泊松比性质。3、尽管黑磷和硒化锡都是各向异性材料,黑磷-硒化锡异质结结构的弹性常数和抗拉强度却体现出近似各向同性。沿zigzag方向,力学性能与双层硒化锡类似,抗拉强度增强约25%;沿armchair方向,力学性能与双层黑磷类似,抗拉强度降低约18%,但仍比双层硒化锡在该方向的抗拉强度增强110%。
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