Orientação do cristal

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 3532 (2023) Citar este artigo

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Mecanismos de deformação cristalina e comportamentos mecânicos em nanofios semicondutores (NWs), em particular ZnSe NWs, exibem uma forte dependência de orientação. No entanto, muito pouco se sabe sobre os mecanismos de deformação por tração para diferentes orientações cristalinas. Aqui, a dependência das orientações dos cristais nas propriedades mecânicas e nos mecanismos de deformação dos NWs ZnSe de mistura de zinco são explorados usando simulações de dinâmica molecular. Descobrimos que a resistência à fratura dos ZnSe NWs orientados para [111] mostra um valor mais alto do que a dos ZnSe NWs orientados para [110] e [100]. Os NWs ZnSe de formato quadrado apresentam maior valor em termos de resistência à fratura e módulo de elasticidade em comparação com um formato hexagonal em todos os diâmetros considerados. Com o aumento da temperatura, a tensão de fratura e o módulo de elasticidade apresentam uma diminuição acentuada. Observa-se que os planos {111} são os planos de deformação em temperaturas mais baixas para a orientação [100]; inversamente, quando a temperatura aumenta, o plano {100} é ativado e contribui como o segundo plano de clivagem principal. Mais importante ainda, os ZnSe NWs dirigidos por [110] mostram a maior sensibilidade à taxa de deformação em comparação com as outras orientações devido à formação de muitos planos de clivagem diferentes com taxas de deformação crescentes. A função de distribuição radial calculada e a energia potencial por átomo validam ainda mais os resultados obtidos. Este estudo é muito importante para o desenvolvimento futuro de nanodispositivos e sistemas nanomecânicos baseados em ZnSe NWs eficientes e confiáveis.

Foi recentemente demonstrado experimentalmente1,2 e teoricamente3,4 que o comportamento mecânico em nanofios semicondutores (NWs) exibe uma forte dependência de orientação. Propriedades mecânicas anisotrópicas significativas ao longo de diferentes orientações cristalinas são observadas em sistemas NW . Outras propriedades físicas, incluindo condutividade elétrica e térmica, polarização piezoelétrica, índice de refração, reatividade superficial e bandgap podem ser alteradas com precisão controlando as direções de crescimento do cristal . Existem diferenças entre as superfícies laterais em NWs de wurtzita/mistura de zinco que crescem em direções diferentes. Essas diferenças podem alterar significativamente o mecanismo de deformação durante o deslizamento de luxações perfeitas e parciais e a geminação por deformações . Além disso, quando a orientação do cristal é acoplada à temperatura e à taxa de deformação, diferentes mecanismos de deformação ocorrem nos NWs devido à competição entre deformações globais e locais, variação de ativação de diferentes planos e influência na disparidade das distâncias interplanares . ,21. Assim, uma compreensão mais profunda das propriedades dependentes da orientação do cristal é essencial para a produção e funcionalidade de NWs em suas aplicações no mundo real.

Por outro lado, as aplicações únicas, a física microscópica e a fabricação de dispositivos em nanoescala, como diodos laser, fotodetectores, transistores de efeito de campo (FETs) e células solares, tornam os NWs semicondutores extremamente promissores nesses campos de pesquisa. Em particular, os NWs22 de ZnSe com mistura de zinco têm atraído atenção substancial como materiais nanoeletrônicos de próxima geração devido ao seu excelente desempenho com flexibilidade mecânica, transmitância, condutividade e síntese barata23,24,25,26. Além disso, o bandgap direto (~ 2,7 eV), alto coeficiente de absorção, eletronegatividade adequada e propriedades não lineares exclusivas da mistura de zinco ZnSe tornam-no potencialmente um material importante para aplicações de laser azul, guias de ondas ópticas, sistemas termoelétricos, diodos emissores de luz, nanosensores, nanoatuadores, nanorressonadores e armazenamento de informações magnéticas27,28,29,30,31,32,33,34,35,36,37. No entanto, apesar do esforço considerável para avaliar as características eletrônicas, térmicas e ópticas dos NWs de ZnSe de mistura de zinco, tanto em teoria 23,24,26,38,39 quanto em experimentos 40,41,42,43,44,45,46, para até onde sabemos, não há estudo sobre suas propriedades mecânicas. Em particular, os mecanismos de deformação por tração para diferentes orientações cristalinas não foram relatados na literatura. Além disso, a variação da resistência mecânica sob diversas variáveis ​​externas, como temperatura e taxa de deformação juntamente com a orientação, também é desconhecida.