枝节硅纳米管的多尺度力学行为与机理研究

枝节硅纳米管具有枝状的多级结构，不但与现有的硅微电子工业相兼容，而且兼具硅纳米线的半导体特性及碳纳米管的传输通道和高比强度特性。通过"由下向上"的自组装方法，枝节硅纳米管可以实现可控组装，并在纳米器件中实现更多和更复杂的功能。基于此，本项目基于量子力学、分子动力学和连续介质力学理论，通过广义均化方法实现不同尺度间的桥接，发展合适的量子力学/分子动力学/有限元的多尺度力学模型及计算方法；针对枝节硅纳米管的多级结构特征，预测其等效弹性模量和断裂强度等力学性能参数；制备枝节硅纳米管，开展相关的力学性能实验研究；分析其在应用过程中形貌特点和温度对其变形机制的影响以及应力状态对电子结构的影响。项目将进一步探讨其有效弹性、弹塑性和物理性质与多尺度分级结构参数之间的定量联系，并探究在不同层次尺度下各有效性质的相互耦合与相互作用。此外，项目将探讨其在硅微电子工业中的应用。

枝状硅纳米管具有枝状的多级结构，不但与现有的硅微电子工业相兼容，而且兼具硅纳米线的半导体特性及碳纳米管的传输通道和高比强度特性。通过“由下向上”的自组装方法，枝状硅纳米管可以实现可控组装，并在纳米器件中实现更多和更复杂的功能。基于此，结合分子力学（MM）理论，在传统有限元的基础上，建立了原子有限元（AFEM）多尺度模型,之后基于AFEM、分子动力学（MD）和连续介质有限元（FEM）三种方法共同探讨了碳纳米管和枝节碳纳米管的手性、管径对拉伸和压缩力学行为的影响。采用密度泛函理论的第一性原理对硅/碳纳米管的电子性能进行了模拟和计算，并讨论了建模方式对硅/碳纳米管电子性能的影响。采用Tersoff势的分子动力学方法，对sp2杂化结构的硅纳米管（SiNTs）及枝节硅纳米管（BSiNTs）与sp3杂化结构的硅纳米管（SiNPs）、枝节硅纳米管（BSiNPs）及硅纳米线（SiNWs）进行了热稳定性和拉伸力学性能分析。以碳纳米管和硅纳米管/线为研究对象，使用分子动力学方法和压电理论分析了新型的碳纳米管和硅纳米管/线压力传感器的各项力电性能，且从原子尺度分析了硅纳米管/线在压力的作用下其原子结构的演变。采用分子动力学方法研究了硅纳米线的振动性能。通过耦合流体流动、传热传质、化学反应等物理模型，建立了化学气相沉积法（CVD）制备碳纳米管过程的二维模型，并采用计算流体力学方法对生产碳纳米管初期碳源的获取过程进行分析。探讨了不同反应条件下对碳沉积率的影响以及喷嘴式CVD反应器内部结构组成对反应过程的影响。关于硅材料的应用方面，项目基于柔性导电胶带，设计制作了一种新型聚酰亚胺薄膜电容式微压力传感器，从材料和结构上提出了优化传感器力敏特性的方法，结合传感器的结构和材料的加工特性，通过对器件的工艺制作进行优化，得到了一种结构轻薄、工艺简单、高灵敏度的薄膜电容式微压力传感器。我们还首次提出利用螺旋上升的方法来改善双壁碳纳米管振荡器的振荡性能。并且结合MoS2碳纳米管（MST）的半导体性质和CNT比MST更轻的特性，首次设计了CNT@MST异质振荡器，并采用MD方法分析分析了其振荡性能。项目还发现通过温度和电场可以调控双层二硫化钼中激子和带电激子动力学参数。