原子間力顕微鏡と分子動力学計算法を用いた窒化ケイ素表面力学特性の実験的理論的研究

利用原子力显微镜和分子动力学计算方法进行氮化硅表面力学性能的实验和理论研究

基本信息

批准号：
09750113
负责人：
尾方成信
金额：
$ 1.34万
依托单位：
Osaka University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Encouragement of Young Scientists (A)
财政年份：
1997
资助国家：
日本
起止时间：
1997 至 1998
项目状态：
已结题

项目摘要

1. 窒化ケイ素表面に微小硬度計にて10から200gfまでの圧痕をつけ,原子間力顕微鏡にて観測を行なった.その際,20gf以下の比較的小さい荷重においては,圧痕縁よりのき裂がほとんど発生せず,延性的挙動を示していることが推測された.2. 20gf以下の荷重では,1つの結晶粒内で圧痕が閉じていたことから,以上の延性的挙動が結晶粒内のすべりに起因しているものと考え,以下のように,分子動力学計算にて結晶粒内のすべりについて詳細に検討した.また同時に,き裂進展挙動についても検討を加えた.(a) 窒化ケイ素に対して第一原理分子動力学計算を適用し,格子定数,弾性定数,内部座標を評価し,現在までに報告されている結果と比較し,矛盾のない結果であることを示した,また,すでに中野らによって提案されている窒化ケイ素についての原子間ポテンシャルの関数形が,この第一原理計算の結果を比較的良く表現する良好なポテンシャルであることを示した.(b) この中野らのポテンシャルを用いて,実験にて報告されているすべり方位にせん断変形を加えていき,すべり変形を生じさせた.i. α型結晶では報告されている方位はすべてすべりやすいものの,方位によってすべりの領域の幅に差があった.特に,幅の広いすべり帯が生じた変形では,すべり帯内部がアモルファス的になっていることが分かった.ii. β型結晶においてはすべりは1から2原子層程度の狭い領域内で起こることが分かった.また,この変形で結晶構造は乱れず,転位の運動のようなものが確認できた.3. β型結晶にき裂を導入し,き裂進展時の応力拡大係数を評価した.シミュレーションにて得られた結果は0.7MPa√mと実験的に調べられている値2〜3MPa√mに比べ小さくなったが,線形弾性論に基づく結果0.88MPa√mと良くあい,分子動力学シミュレーションの破壊現象への有効性を示した.

1。用微硬度计将压痕从10到200 GF的氮化硅表面放置，并使用原子力显微镜进行观测。目前，据估计，从压痕边缘的裂纹几乎从未以相对较小的20 gf或更小的载荷产生，表明延性行为2。同时，在20 gf或以下的载荷下，在一个晶粒内关闭了压痕，并且认为上述延性行为是由于晶粒内的滑动而引起的，并且使用分子动力学计算详细检查了上述延性行为，如下所示。同时，还检查了裂纹生长行为。（a）将第一原理分子动力学计算应用于氮化硅，并评估了晶格常数，弹性常数和内部坐标，并与迄今为止报告的结果进行了比较，并表明结果是一致的。此外，Nakano等人已经提出的氮化硅间潜能的功能形式是表达该第一原理计算结果的良好潜力。（b）使用Nakano等人的这种潜力，将剪切变形应用于实验中报告的滑动方向，从而导致滑动变形。我。尽管α型晶体中所有报告的方向都很滑，但取决于方向，滑动区域的宽度存在差异。特别是，在带有宽滑带的变形中，发现滑动区的内部是无定形的。 ii。发现滑动发生在β型晶体中约1至2个原子层的狭窄区域中发生。此外，这种变形不会打扰晶体结构，并确认了脱位运动。3。将裂纹引入β型晶体中，并在裂纹生长过程中评估应力强度因子。在模拟中获得的结果为0.7MPa√m，该结果小于2至3MPa√m的实验值，但基于线性弹性理论的结果很好地匹配，并显示了分子动力学模拟裂缝现象的有效性。