Orientation des cristaux

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 3532 (2023) Citer cet article

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Les mécanismes de déformation des cristaux et les comportements mécaniques des nanofils semi-conducteurs (NW), en particulier des NW ZnSe, présentent une forte dépendance à l'orientation. Cependant, on sait très peu de choses sur les mécanismes de déformation en traction pour différentes orientations cristallines. Ici, la dépendance de l'orientation des cristaux sur les propriétés mécaniques et les mécanismes de déformation des NW ZnSe à mélange de zinc est explorée à l'aide de simulations de dynamique moléculaire. Nous constatons que la résistance à la rupture des ZnSe NW orientés [111] présente une valeur supérieure à celle des ZnSe NW orientés [110] et [100]. Les ZnSe NW de forme carrée présentent une plus grande valeur en termes de résistance à la rupture et de module élastique par rapport à une forme hexagonale pour tous les diamètres considérés. Avec l'augmentation de la température, la contrainte de rupture et le module élastique présentent une forte diminution. On observe que les plans {111} sont les plans de déformation aux températures les plus basses pour l'orientation [100] ; à l'inverse, lorsque la température augmente, le plan {100} est activé et contribue en tant que deuxième plan de clivage principal. Plus important encore, les NW ZnSe dirigés vers [110] présentent la sensibilité à la vitesse de déformation la plus élevée par rapport aux autres orientations en raison de la formation de nombreux plans de clivage différents avec des vitesses de déformation croissantes. La fonction de distribution radiale calculée et l'énergie potentielle par atome valident en outre les résultats obtenus. Cette étude est très importante pour le développement futur de nanodispositifs et de systèmes nanomécaniques efficaces et fiables à base de ZnSe NW.

Il a récemment été démontré expérimentalement1,2 et théoriquement3,4 que le comportement mécanique des nanofils semi-conducteurs (NW) présente une forte dépendance à l'orientation. Des propriétés mécaniques anisotropes significatives selon différentes orientations cristallines sont observées dans les systèmes NW5,6,7. D'autres propriétés physiques, notamment la conductivité électrique et thermique, la polarisation piézoélectrique, l'indice de réfraction, la réactivité de surface et la bande interdite, peuvent être modifiées avec précision en contrôlant les directions de croissance des cristaux2,8,9,10. Il existe des différences entre les surfaces latérales des NW de wurtzite/mélange de zinc qui poussent dans des directions différentes. Ces différences peuvent modifier considérablement le mécanisme de déformation en cas de glissement de luxation parfaite et partielle et de jumelage par déformation11,12,13,14,15. De plus, lorsque l'orientation des cristaux est couplée à la température et à la vitesse de déformation, différents mécanismes de déformation se produisent dans les NW en raison de la compétition entre les déformations globales et locales, de la variation d'activation des différents plans et de l'influence de la disparité des distances inter-planaires. ,21. Ainsi, une compréhension plus approfondie des propriétés dépendant de l’orientation des cristaux est essentielle pour la production et la fonctionnalité des NW dans leurs applications réelles.

D'autre part, les applications uniques, la physique microscopique et la fabrication de dispositifs à l'échelle nanométrique, tels que les diodes laser, les photodétecteurs, les transistors à effet de champ (FET) et les cellules solaires, rendent les nanoconducteurs extrêmement prometteurs dans ces domaines de recherche. En particulier, les ZnSe NW22 à mélange de zinc ont suscité une attention considérable en tant que matériaux nanoélectroniques de nouvelle génération en raison de leurs performances exceptionnelles en termes de flexibilité mécanique, de transmission, de conductivité et de synthèse peu coûteuse. De plus, la bande interdite directe (~ 2,7 eV), le coefficient d'absorption élevé, l'électronégativité appropriée et les propriétés non linéaires uniques du mélange de zinc ZnSe en font potentiellement un matériau important pour les applications de laser bleu, les guides d'ondes optiques, les systèmes thermoélectriques, les diodes électroluminescentes, nanocapteurs, nanoactionneurs, nanorésonateurs et stockage d'informations magnétiques27,28,29,30,31,32,33,34,35,36,37. Cependant, malgré des efforts considérables pour évaluer les caractéristiques électroniques, thermiques et optiques des mélanges de zinc ZnSe NW, à la fois en théorie23,24,26,38,39 et expérimentalement40,41,42,43,44,45,46, pour à notre connaissance, il n’existe aucune étude sur leurs propriétés mécaniques. En particulier, les mécanismes de déformation en traction pour différentes orientations cristallines n’ont pas été rapportés dans la littérature. De plus, la variation de la résistance mécanique sous diverses variables externes telles que la température et la vitesse de déformation couplées à l'orientation est également inconnue.