Elastic Properties of Nanowires - an Atomistic Evaluation

Sammanfattning: Popular Abstract in Swedish Stora framsteg har gjort det möjligt att, med dagens teknik, inte bara visualisera enskilda atomer, utan även utföra olika typer av operationer och manipulationer på atomskalan med stor precision rent experimentellt. Detta har möjliggjort tillverkning av komplexa nanostrukturer genom montering av komponenter av nanostorlek till större sammansatta system, vilket i sin tur har gett upphov till en rad nya banbrytande praktiska tillämpningar inom vitt skilda områden och discipliner. Nanotråden är en av de viktigaste byggstenarna i nanosystem, och nanotrådars egenskaper skiljer sig i många avseenden från motsvarande egenskaper hos makroskopiska balkar. Detta beror på att en stor andel av de atomer som utgör nanotråden är ytatomer, och eftersom ytatomer har betydligt färre bindningar till andra atomer än vad bulkatomer har, resulterar det i att de har annan påverkan på strukturens egenskaper jämfört med bulkatomer. Detta medför i slutändan att nanotrådar får alltmer avvikande egenskaper allteftersom dimensionerna minskar. Trots att flera av dessa avvikande egenskaper i många fall är önskade, blir det i vissa fall svårare att förutsäga hur nanotrådarna kommer att bete sig i olika tillämpningar, då beteendet kan avvika markant från hur en makroskopisk struktur förväntas uppföra sig. Syftet med denna avhandling är att, med hjälp av atomsimuleringar, studera hur de elastiska egenskaperna hos metalliska nanotrådar varierar med storlek och hur väl befintliga makroskopiska kontinuummodeller beskriver de mekaniska egenskaperna. Detta innefattar att undersöka vid vilken storlek befintliga modeller upphör att gälla, samt på vilket sätt och varför resultaten inte stämmer överens med befintliga makro-skopiska kontinuummodeller. Arbetet är av teoretisk karaktär där nanotrådarnas elastiska egenskaper modelleras med hjälp av dynamiska och statiska atomsimuleringar. Simuleringarna är klassiska atomsimuleringar, där växelverkan mellan de olika atomerna sker genom empiriska modellpotentialer. Avhandlingen innehåller fyra artiklar, A-D, som behandlar de elastiska egenskaperna hos metalliska nanotrådar. Olika varianter av belastningsfall simuleras: axiell dragning (artiklar A och B), statisk balkböjning (artikel A), transversella vibrationer (artiklar B och C) samt knäckning (artikel D). I förekommande fall jämförs resultaten med experimentella resultat rapporterade i publicerade vetenskapliga artiklar. Simuleringarna visar att elasticitetsmodulen hos nanotrådarna varierar med tvär-snittsarean, samt att elasticitetsmodulen både kan öka eller minska när storleken på tvärsnittet minskar. Detta beror på nanotrådens kristallografiska orientering, då olika ytor påverkar de elastiska egenskaperna olika mycket, samt på den olinjära påverkan i olika kristallografiska riktningar. Följden av detta är att böjstyvheten både kan bli högre eller lägre än vad som fås när materialdata för makroskopiska strukturer används. Dessutom visar det sig att, allteftersom nanotrådarna blir mindre och mindre, påverkas böjstyvheten i större utsträckning av det faktum att ytornas elastiska egenskaper skiljer sig från kärnans egenskaper. Detta leder till att tvärsnittet får en heterogen eller kompositliknande karaktär vilket försvårar bestämmandet av böjstyvheten. The major purpose of this thesis is to study how well the behavior of metallic nanowires can be predicted by elementary macroscopic continuum mechanics. This includes to investigate at what sizes of the cross sectional dimensions and in what way macroscopic continuum mechanical models fail to describe the mechanical response accurately. The presented work is of a theoretical nature, related to experiments reported in the literature, and the mechanical properties and responses are modeled through classical molecular dynamics and molecular statics simulations with empirical potentials to describe the interatomic interactions.