Silikon nanotellerde mekanik davranışın ölçek bağımlılığı

Üretim, karakterizasyon ve modellemeye dayalı bu tez, silikon nanotellerin mekanik davranışının çok yönlü temellerini araştırmaktadır. Nano elektromekanik sistemlerde yapı taşları olarak önemli potansiyele sahip olmalarına rağmen, silikon nanoteller üzerine yapılan çalışmalar şu ana kadar temel mekanik özelliklerinin ölçeğe bağımlılığının kapsamlı bir resmini çizme konusunda yetersiz kalmıştır. Bu alandaki mevcut fikir birliği eksikliğini açıklığa kavuşturmak için yukarıdan aşağıya imalat yoluyla üretilen nanoteller, üç noktalı bükme konfigürasyonunda yerinde test edilir. Monolitik teknoloji, i) nanotel numuneleri ve bunların destekleri arasında herhangi bir arayüz veya ek uyum oluşturmadan iyi tanımlanmış sınır koşulları ve ii) test sırasında bükülme sapmalarını karşılamak için yeterli alan sağlamaktadır. Hem nanotel boyutlarını hem de içsel gerilimleri ölçmek için metroloji çalışması yürütülmüştür. Eğilme davranışı daha sonra, doğal oksit yüzeyinin durumunu ve yüzey kristalinde var olan anizotropiyi dikkate alırken, öncelikle yüzey kaynaklı içsel gerilimler aracılığıyla yüzey etkisini birleştiren yeni geliştirilmiş çok ölçekli bir model kullanılarak yorumlanır. Bu model, moleküler dinamik simülasyonlara ve değiştirilmiş çekirdek-kabuk modeline dayalı birleşik bir yaklaşıma dayanmaktadır. Ek olarak, kapsamlı moleküler dinamik simülasyonlarının mümkün kıldığı makine öğreniminin kullanımı, bu çalışmada geliştirilen ve silikon nanotellerin nanomekaniğini anlamak için yapay zekayı pratik bir araç olarak kullanan metodolojinin kapsamını genişletmektedir. Son olarak, silikon nanotellerdeki işlem-yapı-özellik etkileşimiyle ilgili belirsizliklerin kapsamlı bir analizi gerçekleştirilir. Bulgular şu şekildedir: 1) Hesaplamalı ve deneysel çalışmalarda çeşitli zorluklar nedeniyle var olan 10 nm'lik barıyeri aşmak; 2) Yüzey homojenliğinin parametreleştirilmesi, elastisite modülünün değişimini nanotellerin kritik boyutuna bağlamamıza olanak tanır. Sertleşme eğilimi, kritik boyutun arttırılmasıyla ölçülmüştür. Atomistik simülasyonların mümkün kıldığı bağımsız analitik ve makine öğrenme yöntemleri kullanılarak deneysel eğilim çizgileri doğrulanmıştır; 3) 20 nm'den küçük nanoteller için teorik güç sınırı ortaya çıkarılmıştır. Bu sağlam bulgu, birkaç MPa'dan 20 GPa'ya kadar değişen güç değerleri bildiren, benzer boyutlardaki nanoteller hakkında önemli miktarda literatürle tam bir tezat oluşturmaktadır; 4) Sistematik ve rastgele hata kaynaklarının hata analizi yoluyla silikon nanotellerin kırılma mukavemeti için %95'in üzerinde ve elastisite modülünün tahminleri için %85'in üzerinde bir güven düzeyi elde edilmiştir; 5) Doğal oksit tabakasının silikon nanotellerin mekanik özelliklerini nasıl etkilediğine ışık tutmaktadır. Moore yasasının elektronikte öngördüğü minyatürleştirme eğilimini takiben, silikon nanoteller, olağanüstü yüksek rezonans frekansları ve önemli yüzey-hacim oranları ile sonuçlanan çok küçük boyutları nedeniyle nano elektromekanik sistemlere dayalı yeni nesil minyatür sensörlerde dönüştürücüler için birincil adaylar olarak ortaya çıkmaktadır. Silikon nanotellerdeki ölçek etkisinin yorumlanmasıyla ilgili uzun zamandır devam eden bir dizi sorun, kapsamlı teorik ve çok ölçekli modellemenin yanı sıra en ileri üretim ve karakterizasyon tekniklerini içeren bir metodoloji kullanılarak kesin olarak açıklığa kavuşturulmuştur. Aynı yöntem, SiC, ZnO, çekirdek kabuğu ve alaşım nanotelleri gibi diğer düşük boyutlu malzemelerin yanı sıra MoS2 ve WS2 gibi 2 boyutlu malzemelerle de kullanılabilme potansiyeline sahiptir.