Orientamento del cristallo

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 3532 (2023) Citare questo articolo

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I meccanismi di deformazione dei cristalli e i comportamenti meccanici nei nanofili semiconduttori (NW), in particolare nei NW ZnSe, mostrano una forte dipendenza dall'orientamento. Tuttavia, si sa molto poco sui meccanismi di deformazione a trazione per diversi orientamenti dei cristalli. Qui, la dipendenza degli orientamenti dei cristalli dalle proprietà meccaniche e dai meccanismi di deformazione dei NW ZnSe di zinco-blenda viene esplorata utilizzando simulazioni di dinamica molecolare. Troviamo che la resistenza alla frattura degli ZnSe NW orientati a [111] mostra un valore superiore a quello degli ZnSe NW orientati a [110] e [100]. Gli ZnSe NW di forma quadrata mostrano un valore maggiore in termini di resistenza alla frattura e modulo elastico rispetto a una forma esagonale a tutti i diametri considerati. Con l’aumento della temperatura, lo sforzo di frattura e il modulo elastico mostrano una forte diminuzione. Si osserva che i piani {111} sono i piani di deformazione a temperature più basse per l'orientamento [100]; al contrario, quando la temperatura aumenta, il piano {100} viene attivato e contribuisce come secondo piano di clivaggio principale. Ancora più importante, gli ZnSe NW diretti a [110] mostrano la più alta sensibilità alla velocità di deformazione rispetto agli altri orientamenti a causa della formazione di molti piani di clivaggio diversi con velocità di deformazione crescenti. La funzione di distribuzione radiale calcolata e l'energia potenziale per atomo convalidano ulteriormente i risultati ottenuti. Questo studio è molto importante per il futuro sviluppo di nanodispositivi e sistemi nanomeccanici efficienti e affidabili basati su ZnSe NW.

È stato recentemente dimostrato sperimentalmente1,2 e teoricamente3,4 che il comportamento meccanico nei nanofili semiconduttori (NW) presenta una forte dipendenza dall'orientamento. Nei sistemi NW si osservano proprietà meccaniche anisotrope significative lungo diversi orientamenti dei cristalli5,6,7. Altre proprietà fisiche, tra cui conduttività elettrica e termica, polarizzazione piezoelettrica, indice di rifrazione, reattività superficiale e bandgap, possono essere modificate con precisione controllando le direzioni di crescita dei cristalli2,8,9,10. Ci sono differenze tra le superfici laterali dei NW wurtzite/zinco-blenda che crescono in direzioni diverse. Queste differenze possono alterare in modo significativo il meccanismo di deformazione rispetto allo scivolamento perfetto e parziale delle lussazioni e al gemellaggio delle deformazioni11,12,13,14,15. Inoltre, quando l’orientamento dei cristalli è accoppiato con la temperatura e la velocità di deformazione, si verificano diversi meccanismi di deformazione nei NW a causa della competizione tra deformazioni globali e locali, della variazione di attivazione di diversi piani e dell’influenza della disparità delle distanze interplanari16,17,18,19,20 ,21. Pertanto, una comprensione più profonda delle proprietà dipendenti dall’orientamento dei cristalli è essenziale per la produzione e la funzionalità dei NW nelle loro applicazioni nel mondo reale.

D’altra parte, le applicazioni uniche, la fisica microscopica e la fabbricazione di dispositivi su scala nanometrica, come diodi laser, fotorilevatori, transistor a effetto di campo (FET) e celle solari, rendono i NW semiconduttori estremamente promettenti in questi campi di ricerca. In particolare, gli ZnSe NW22 in miscela di zinco hanno attirato notevole attenzione come materiali nanoelettronici di prossima generazione grazie alle loro eccezionali prestazioni di flessibilità meccanica, trasmittanza, conduttività e sintesi economica23,24,25,26. Inoltre, il bandgap diretto (~ 2,7 eV), l'elevato coefficiente di assorbimento, l'adeguata elettronegatività e le proprietà non lineari uniche della miscela di zinco ZnSe lo rendono potenzialmente un materiale importante per applicazioni laser blu, guide d'onda ottiche, sistemi termoelettrici, diodi emettitori di luce, nanosensori, nanoattuatori, nanorisonatori e memorizzazione di informazioni magnetiche27,28,29,30,31,32,33,34,35,36,37. Tuttavia, nonostante i notevoli sforzi per valutare le caratteristiche elettroniche, termiche e ottiche dei NW ZnSe di zinco-blenda, sia in teoria23,24,26,38,39 che negli esperimenti40,41,42,43,44,45,46, per al meglio delle nostre conoscenze, non esiste alcuno studio sulle loro proprietà meccaniche. In particolare, non sono stati riportati in letteratura i meccanismi di deformazione tensivo per differenti orientazioni dei cristalli. Inoltre, anche la variazione della resistenza meccanica in base a diverse variabili esterne come la temperatura e la velocità di deformazione accoppiate con l’orientamento è sconosciuta.