单层SnS的光电效应及应变工程的第一性原理研究

光电探测器在工业制造和军事国防等各领域用途广泛。近年来,研究者在寻找一种兼具极化灵敏度高与光响应强的特点的光电探测器。在可见光范围内,SnS是一种制作具有各向异性光电探测器的半导体材料。本文基于第一性原理,采用非平衡态格林函数(NEGF)与密度泛函理论(DFT)结合的方法对单层SnS两个器件方向(Armchair和Zigzag)的光电性质进行理论计算。研究发现,在零偏压下,两个方向的光电流数值均较小,通过加偏压的方法可以获得稳定的光电流。计算了小偏压0.1~1.0 V(间隔0.1 V)、线性偏振光照射下最大光响应随光子能量的变化,发现单层SnS在光子能量为2.4与3.2 V时最大光响应数值较大且十分稳定,并结合能带图和态密度图分析了光响应产生的微观机制。本文通过计算消光比,发现单层SnS具有极强的偏振灵敏度。最后,通过施加双轴应变的方法,器件的不对称性显著增加,极大增强器件在零偏压下的光电流,其中压缩应力数值为-6%时对光电流的提升十分明显。希望以上结果能为单层SnS设计用于光电探测器提供理论参考。

应变诱导二维SnSe/SnS范德华异质结的光电性质

二维材料具有非常优异的性能,这使其在材料物理领域具有广泛的研究价值.该文基于第一性原理方法研究计算了单层SnSe和单层SnS以及SnSe/SnS范德华异质结的电子性质和光学性质.单层SnSe和单层SnS的带隙分别为0.95 eV和1.46 eV间接带隙半导体,而SnSe/SnS异质结的带隙为0.47 eV间接带隙半导体,带隙明显低于其单层材料.SnSe/SnS异质结与其单层材料相比,具有更优异的光学性质,其介电函数虚部和光吸收系数远远大于单层材料.该文还研究了在不同类型应变下SnSe/SnS异质结的电子性质和光学性质的变化规律.单轴应变和双轴应变能够有效地调控SnSe/SnS的光电性质.研究表明,相较于a轴应变和b轴应变,双轴应变的调控效果更为显著.在双轴应变下,SnSe/SnS异质结的能带有从间接带隙到直接带隙的转变.通过应变调控可以增强SnSe/SnS异质结的光吸收系数.该研究为获得更好的电子和光学特性的材料提供了思路.研究证明SnSe/SnS范德华异质结在光电器件领域具有潜在的应用价值.

极低温区循环载荷作用下Nb_(3)Sn复合超导体的变形损伤及其应变率效应数值模拟

Nb_(3)Sn超导体在循环载荷下的变形损伤行为研究对揭示超导体临界性能不可逆退化背后的力学机制具有重要意义。采用分子动力学模拟方法研究了极低温条件下单晶和多晶Nb_(3)Sn/Nb复合材料在循环载荷下的变形损伤行为,同时分析了应变率对Nb_(3)Sn/Nb复合材料变形损伤和断裂行为的影响。结果表明:单晶Nb_(3)Sn/Nb复合材料在循环载荷作用后,Nb_(3)Sn层出现滑移,当滑移带交错处的局部应力大于材料强度时,在滑移带交错处微裂纹萌生,致使复合材料中Nb_(3)Sn层断裂失效;而多晶Nb_(3)Sn/Nb复合材料则由于晶界处应力在循环载荷下得不到松弛,当应力峰值超过晶界强度时,在晶界处萌生微裂纹,导致复合材料中Nb_(3)Sn层发生沿晶断裂。Nb_(3)Sn/Nb复合材料在不同应变率下表现出不同的断裂方式。随着应变率的增加,单晶Nb_(3)Sn层中的滑移带数量增加,导致单晶Nb_(3)Sn/Nb复合材料的韧性增强。而多晶Nb_(3)Sn/Nb复合材料中,晶界对材料强度的影响随着应变率的增加而降低,高应变率下,复合材料在Nb_(3)Sn层局部断裂后具有较大的剩余强度。研究结果将有助于理解Nb_(3)Sn/Nb复合材料在循环载荷下的损伤演化过程,为材料的性能优化设计提供一定的理论指导。

Zr-Sn-Nb-Fe合金两相区流变行为与本构模型研究

为准确描述材料的高温流变行为,本文通过利用单向压缩试验对Zr-Sn-Nb-Fe合金在温度为650~800℃、应变速率为0.01~1 s^(-1)时的热变形行为进行研究,建立了Zr-Sn-Nb-Fe合金应变补偿型Arrhenius本构模型,并评估了该模型的预测能力。结果表明,Zr-Sn-Nb-Fe合金是一种对温度和应变速率较敏感的材料,其流变曲线呈现为动态再结晶型,流动应力随变形温度的升高和应变速率的降低而减小。采用本文所建本构模型对Zr-Sn-Nb-Fe合金的流动应力进行预测,结果显示,各工艺参数下流动应力预测值与实验值均吻合良好,模型预测值与实验值的平均相对误差绝对值为4.77%,相关系数为0.9883,表明模型的预测精度较高。

血红铆钉菇SN菌株生物学特性研究

采用组织分离法从野生血红铆钉菇子实体分离得到1株性状稳定的分离株SN,并对其生物学特性进行了研究。结果表明:最适合菌株生长的碳源为葡萄糖和蔗糖,最适宜的氮源为蛋白胨,菌丝生长的最适温度为22~24℃,最适pH为8,无光照培养时菌丝长势较好。培养料中添加20%腐殖质适合菌丝的生长。

Zr-Sn-Nb薄片合金高温低周疲劳行为

采用Zr-Sn-Nb合金薄片漏斗试样,完成了室温和500℃高温下的低周疲劳试验,提出基于漏斗根部节点轴向应变的疲劳损伤等效假设。根据有限元分析,建立了Zr-Sn-Nb合金室温和高温下薄片漏斗试样测试应变到漏斗根部轴向应变的转换模型。结合低周疲劳试验结果,建立了在室温和500℃高温条件下用于估算Zr-Sn-Nb合金疲劳寿命的Manson-Conffin模型。结果表明:Zr-Sn-Nb合金具有循环稳定性;高温严重影响了Zr-Sn-Nb合金低应变幅下的疲劳寿命,随着应变幅的增加,温度影响趋弱。

应变速率对Sn-9Zn共晶合金拉伸性能的影响

Sn-9Zn合金室温的拉伸曲线上存在一个较宽的无加工硬化区域,合金的最大拉伸应力对应变速率敏感,随着应变速率的增加,最大拉伸应力增大,对应变速率与抗拉强度关系的拟合获得了这种合金的应变速率敏感指数为0.097.SEM观察表明,裂纹在棒状Zn与基体的界面处萌生.合金的拉伸断口特征随应变速率的增加从典型的韧窝状延性断裂向半解理脆性断裂过渡.

63Sn-37Pb和Sn-0.7Cu钎料的力学性能

对63Sn-37Pb和Sn-0.7Cu两种钎料进行了单轴拉伸试验、纯扭试验和纯扭疲劳试验。结果表明,钎料拉伸和纯扭时的应力应变关系有很强的应变速率相关性。弹性模量和剪切模量受应变速率的影响很小。钎料的屈服强度、剪切屈服强度、抗拉强度和抗剪强度也受应变速率的影响。钎料是剪切型破坏材料,并且发生循环软化。

Nb_3Sn超导股线残余应力分析

Nb3Sn超导股线在900K形成,而工作环境是在4.2K,从高温到低温会在Nb3Sn超导股线内部产生残余应力与应变,Nb3Sn超导股线对应力应变十分敏感,过大的应力会使股线的性能严重退化。通过理论计算和数值模拟的方法来计算Nb3Sn超导股线的残余应力与应变。

利用加工硬化率方法研究Cu-Cr-Sn-Zn-Ce合金的动态再结晶

通过Gleebe试验机对Cu-Cr0.44-Sn0.34-Zn0.2-Ce0.01合金进行单道次高温等温压缩试验,得出实验合金的应力应变数据。变形条件是应变速率0.01,0.1,1和5 s-1,变形温度600,700和800℃,最大变形程度为真实应变0.6。通过对数据的计算,得到加工硬化率-应变曲线、动态再结晶临界应力、动态再结晶临界应变。通过微观组织分析了该合金的连续动态再结晶特征。最后分析临界应力应变与变形条件的关系。结果表明,对于没有明显应力峰值的应力应变曲线,使用加工硬化率方法是研究热变形过程中动态再结晶临界应变的一种有效方法。

温度和加载率对Sn-58Bi合金力学性能影响试验研究

通过不同温度和加载率下拉伸试验,获得了Sn-58%(质量分数)Bi共晶合金的弹性模量、拉伸强度、断裂应变等主要力学参数;结合断口微观组织的观测,对Sn-58%Bi共晶合金拉伸变形特性进行了研究。分析了加载率和温度对Sn-Bi合金变形行为的影响。试验结果分析表明,合金延展性随温度升高而增大,随加载率增大而显著减小。断口微观组织观测分析表明,Sn-Bi合金在不同温度和加载率下,存在不同的变形机制。合金在低温和高加载速率下主要以断解理断裂为主。随温度增加,逐渐转变为韧窝、撕裂棱、解理面为主的准解理断裂,高加载率下以沿晶韧窝断裂和解理断裂为主的综合断裂。

纳米压痕法测量Sn-Ag-Cu无铅钎料BGA焊点的力学性能参数

对Sn-3.0Ag-0.5Cu无铅体钎料和Sn-4.0Ag-0.5Cu无铅钎料BGA(ball grid array)焊点进行了Berkovich 纳米压痕法实验,通过改变不同的加载速率研究了钎料的蠕变特征.钎料压痕载荷-位移曲线蠕变部分表现出了明显的加载速率相关性.基于Oliver-Pharrr法确定的体钎料和BGA焊点的Young’s模量分别为9.3和20 GPa.基于压痕做功概念确定的体钎料和BGA焊点的应变速率敏感指数分别为0.1111和0.0574.钎料的力学性能有着明显的尺寸效应.

微观压痕法测量Sn-Ag-Cu系无铅钎料的力学性能

Sn-Ag-Cu系合金是最有可能替代Sn-Pb钎料的无铅钎料。介绍了一种测量其力学性能的新方法,即通过微压痕仪精确测量不同加载速率下压子的压入深度h与加载载荷F的关系来确定钎料的弹性模量E和蠕变速率敏感指数m。结果表明加载速率对钎料蠕变压痕F-h曲线和压入深度有着重要的影响;OliverPharr方法确定的钎料弹性模量取决于卸载过程而与加载速率无关。基于压痕做功概念定义了压痕蠕变硬度和蠕变应变速率,从而给出钎料的蠕变速率敏感指数。Sn3.5Ag0.75Cu与Sn3.0Ag0.5Cu钎料蠕变压痕测试表明合金成分影响SnAgCu系无铅钎料的力学性能。

碳纳米管增强Sn-58Bi无铅钎料焊点抗蠕变性能研究

研究了Sn-58Bi钎料和Sn-58Bi-0.01CNTs复合钎料焊点在不同温度、应力和电流密度下的抗剪切蠕变性能。结果表明:随着温度、应力和电流密度的逐渐增加,Sn-58Bi钎料和Sn-58Bi-0.01CNTs复合钎料焊点的抗蠕变性能均逐渐降低。添加碳纳米管(CNTs)后,复合钎料焊点的稳态应变速率均降低。添加CNTs可以提高焊点的抗蠕变性能。

Sn单晶粒微凸点的剪切力学性能研究

微电子先进封装要求微凸点的尺寸不断缩小以满足高密度互连的需求。而微凸点小型化使其微观组织和力学行为都会发生重要变化,进而影响到封装可靠性。通过剪切实验,研究了基体中仅包含一个Sn晶粒微凸点的剪切力学行为及其断裂模式。研究发现在应力和应变速率关系式中,Sn单晶粒微凸点的应变速率敏感度指数m约为0.1,常数值K约为29。Sn单晶粒微凸点的剪切断口表面光滑平整,滑移带分布清晰,属于单晶滑移断裂。研究结果有助于评估Sn单晶粒微凸点的封装可靠性。

[110]和[112]取向β-Sn单晶体的形变行为

对[110]和[112]取向的单晶Sn试样在不同温度和不同应变速率下进行了拉伸实验.结果表明,两种取向的Sn单晶体对应变速率都极为敏感,[110]取向晶体的应变速率敏感指数m为0.133,高于[112]取向的0.108,表现出较高的塑性.单晶Sn在变形过程中表现山很强的加工硬化,[110]取向试样的加工硬化指数n约为0.54,高于[112]取向的0.46.通过电镜观察得到,[110]取向试样的变形以多系滑移方式进行,[112]取向试样是以交滑移和孪晶方式共同进行变形;[110]取向晶体首先开动的滑移系是{010}<100>,开动这个滑移系的临界分解切应力(CRSS)为3.1 MPa.两种取向的单晶体变形的激活能Q在35—52 kJ/mol之间,根据激活能和滑移形貌的观察.得出变形过程是由交滑移机制控制的结论.

有限元法模拟Nb_3Sn线材的应变分布

Nb3Sn超导磁体正常运行时,复合超导线材将受到大的机械载荷(如温度载荷、轴向拉伸和电磁力),其超导电性可能发生可逆和不可逆的退化。针对Nb3Sn线材经高温热处理后冷却到4.2K所产生的热应变,对复合线材结构建立详细的三维有限元分析模型,解决了一维模型不能详细模拟应变分布的问题,从微观尺度仿真了导体内部的应变分布,阐明了导体不同组份材料上热应变分布的特点。在此基础上,进一步分析了对Nb3Sn复合导线施加轴向拉力时,内部Nb3Sn芯丝上由压应变向拉伸应变的转换过程。

Sn-Bi二元合金应变速率敏感性的研究

基于合金的微观组织观察,考察了Sn-xBi(x=10,20,30,40,50和58)合金在拉伸载荷下的应变速率敏感行为。试验结果表明,Sn-xBi(x=10和20)合金的微观组织由β-Sn基体及分布于其上的Bi粒子组成,合金形变由晶界滑移控制,应力指数较大;Sn-xBi(x=30,40,50和58)合金微观组织以网状共晶组织为基体,其形变机制随着Bi含量的增大,转变为相界滑移,应力指数减小。当应变速率由0.0001 s^(-1)增大到0.1 s^(-1)时,Sn-20Bi的断裂模式由延性断裂转变为具有塑性形变的混合断裂。这一断裂模式的转变与合金在不同速率下的形变机制有关。

纳米压痕法分析Sn-9Zn/Cu焊点力学性能

通过对Sn-9Zn/Cu焊点进行纳米压痕实验发现:在保载阶段,体钎料产生了明显的蠕变特征,蠕变深度随着加载速率的增加而增加。基于压痕做功概念确定了Sn-9Zn/Cu焊点中体钎料的蠕变应力指数n约为5.128。硬度和弹性模量测试结果表明:金属间化合物Cu5Zn8的压痕硬度(5.152±0.224)GPa约是体钎料压痕硬度(0.178±0.020)GPa的30倍;前者弹性模量(123.100±20.024)GPa又是后者弹性模量(25.615±9.077)GPa的5倍,显示了影响焊点可靠性的关键因素是焊点界面处的金属间化合物。

基于纳米压痕法的富Sn相应力-应变关系的研究

在电子封装领域,无铅钎料主要是二元、三元Sn基共晶或近共晶合金,其基体相为富Sn相。为得到富Sn相的力学性能及应力-应变关系,由纳米压痕试验测试获得了富Sn相的弹性模量与硬度,并得到载荷-位移曲线。采用有限元反演分析的方法确定了富Sn相的特征应力和特征应变,并由量纲函数确定应变强化指数。将特征应力和特征应变强化指数等参数代入幂强化模型,计算得到富Sn相的屈服强度为31.51 MPa,并最终确定富Sn相的应力-应变关系函数表达式。