锗/锗-锡核壳纳米线形貌形成及成分分布的机理研究
批准号:
52102183
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
王衍明
依托单位:
学科分类:
无机非金属半导体与信息功能材料
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
王衍明
中文摘要
锗锡合金,因其能带结构受锡成分的可调性以及与主流硅基元件的相容性,被认为是一种在光电领域极具前景的新型半导体材料。锗/锗-锡核壳纳米线是以异质外延生长方式合成锗锡合金的有效思路。其优势不仅在于引入了应变工程与载流子约束效应,更在于其可实现锡在锗中的过饱和掺入,带来材料向直接带隙转变的可能性。然而在实际生长过程中,尚存在无法完全理解控制的纳米线反常形貌与成分分布不均等问题,这成为该材料可控合成与应用开发的瓶颈。本课题拟通过构建先进的多场耦合相场模型,描述核壳纳米线生长过程中界面能、驱动力、成分与应变之间的内在联系;通过联合分子动力学方法,建立具完备性的多尺度模拟框架,从而研究材料本征性质与形貌结构对生长行为的共同作用;通过捕捉纳米线生长动态及自由能演化过程,创建对决定纳米线形貌形成与成分分布关键因素与临界条件的定量预测方法,最终为核壳纳米线及类似异质结构的合成设计与优化提供科学依据与指导。
英文摘要
Ge1-xSnx alloys are considered a promising new semiconductor material for optoelectronic applications, due to its band structure tunability by Sn composition and compatibility with the mainstream Si-based devices. Ge/Ge1-xSnx core-shell nanowires offer a plausible solution for achieving low-dimensional hetero-epitaxial Ge1-xSnx growth, whose merits include not only the introduction of strain-engineering and carrier confinement effect, but also the realization of supersaturated incorporation of Sn in Ge, that leads to the transition from an indirect band-gap to a direct band-gap. However, in the process of nanowire growth, abnormal nanowire morphologies and inhomogeneous Sn distributions have often been observed, and have yet to be fully understood. This becomes the bottleneck of controllable synthesis of the material toward its further development and application. This project aims to develop an advanced multi-field coupled phase-field model, in order to describe the underlying connections among interfacial energies, chemical potentials, Sn compositions and strain distributions during the growth of Ge/Ge1-xSnx core-shell nanowires. By combining molecular dynamics models, a self-contained multi-scale modeling framework will be constructed, as an enabler of studying the joint effects of materials’ intrinsic properties and structural features on the nanowire growth behaviors. The phase field simulations will be able to capture the dynamical process of core-shell nanowire growth as well as the evolution of the free energy of the system, from which key factors and critical conditions can be quantitively predicted for determining the nanowire morphology and Sn composition. The outcomes of the proposed work should provide new understandings and scientific guidelines, for designing and optimizing synthesis pathways of Ge/Ge1-xSnx core-shell nanowires and similar heterogeneous nano-structures.
新型功能材料,如锗锡核壳纳米线等,通常需要精确设计的元素组分与微观结构,它们对于材料在未来电子、光学和能源等领域的应用至关重要。了解材料在形成和服役期间的成分与结构演变对于实现其系统优化和可控合成至关重要。以此为方向,材料仿真因其能够提供微观物理图像与内在机理解释,得到了广泛应用;然而如何构建适当模型以捕捉不同尺度的决定性机制,以及如何开发有效的工具从复杂模拟数据中提取关键信息,仍具有相当的困难性。该项目旨在应对这些挑战,并在三个主要方面取得了进展:多物理场相场建模、基于分子动力学的系统分析、以及机器学习-材料模拟的结合方法。该项目开发了针对纳米功能材料的多物理场多相场模型框架,着重考虑了成分分布、机械应力、界面效应、电子贡献和化学势驱动力之间的相互耦合。该模型解释了化学气相沉积过程中由于成分分布不均而导致的纳米线弯曲行为,预测了杂化钙钛矿薄膜的光诱导相分离现象,均得到了实验验证。该项目利用分子动力学研究了多种功能材料从初始气相阶段到稳定态生长的化学气相沉积制备过程。研究的主要结果包括基于图论预测气相反应过程中的主要产物及其分布;捕捉纳米管催化生长过程中缺陷的形成过程并计算了相应路径的能垒数值;解析各衬底上晶体生长速率对温度和液态合金过饱和度的依赖关系。此外该项目积极探索了先进机器学习模型在材料仿真中的应用。项目开发了一种高效的集成学习模型,可从分子动力学轨迹中自动进行晶体类型的识别分类。项目提出了一个三维生成对抗网络模型,以实现在相似结构和成分约束条件下的材料多目标设计。整体而言,本项目在多尺度模拟和机器学习方面的进展不仅为我们理解纳米和介观尺度材料的组成和结构演变提供了新的思路,而且有助于支撑开发更加智能和集成的计算材料工具,共同加速下一代功能材料的设计和实现。
基于多尺度模拟的固态聚合物电解质材料设计方法研究
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批准号:22ZR1433400
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项目类别:省市级项目
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资助金额:0.0万元
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批准年份:2022
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负责人:王衍明
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依托单位:
多尺度模拟与机器学习在功能材料设计中的应用
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批准号:52281240409
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项目类别:国际(地区)合作与交流项目
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资助金额:6.00万元
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批准年份:2022
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负责人:王衍明
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依托单位:
锗/锗-锡核壳纳米线形貌形成及成分分布的机理研究
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批准号:--
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项目类别:--
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资助金额:30万元
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批准年份:2021
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负责人:王衍明
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依托单位:
国内基金
海外基金