19895

2264 دكتري

دكتري

طراحي كاربردي - مكانيك جامدات

اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان

1403

ده، 110ص. : مصور، جدول، نمودار

1403/08/05

كتابنامه

مهندسي مكانيك

مهندسي مكانيك

1403/08/14

23080140

در سال‌هاي اخير آلياژ سه‌گانهGST به‌عنوان اصلي‌ترين ماده حافظه‌هاي تغييرفازدهنده مورد توجه قرارگرفته كه اين قابليت مهم ناشي از تغيير فاز بسيار سريع و برگشت‌پذير بين ساختار كريستالي و آمورف در آن است. در اين پژوهش، براي نخستين بار به مدل‌سازي ميدان فاز پديده كريستالي-بي‌شكل‌شدن با حضور اثرات مكانيك در اين آلياژ پرداخته شده‌است. تا پيش از اين، انرژي آزاد در مدل ميدان فاز براي اين آلياژ تنها شامل ترم‌هاي دوچاهه، حرارتي و گراديان مي‌گرديد، از اين‌رو مدل ميدان فاز تنها قادر به بررسي كريستال / بي‌شكل‌شدن تحت تغييرات دمايي بود كه حتي در اين موارد هم عدم در نظر گرفتن تنش داخلي و تغييرشكل ساختاري منجر به نتايج غيرفيزيكي مي‌گرديد. در اين پژوهش، نشان‌داده‌شد كه اثر مكانيك و نيروي محركه ناشي از آن در قالب كرنش‌هاي استحاله و حرارتي و تنش‌هاي الاستيك و غيرالاستيك تأثير چشمگيري بر پديده كريستالي- بي‌شكل‌شدن حتي بدون اعمال گراديان حرارتي، بار مكانيكي و اثرات سطحي مي‌گذارد. در مجموع، با لحاظ‌كردن اثرات مكانيكي در مدل، براي نخستين‌بار استحاله كريستالي- بي شكل شدن اين آلياژ تحت بارهاي مكانيكي و حرارتي و به‌كمك كوپل معادلات ميدان فاز و الاستيسيته مورد بررسي قرار گرفت. بخش ديگر اين پژوهش، اضافه نمودن لايه سطحي خارجي براي نانوساختارGST و بررسي اثرات آن بر فرآيند كريستال-بي‌شكل‌شدن است. اين لايه با ضخامت معين و با استفاده از يك پارامترمشخصه جديد در ناحيه مرزي تعريف‌شده كه درآن خواص ماده به‌صورت پيوسته از جامد به گاز تغيير مي‌كند. لذا براي ناحيه مرزي، معادله ميدان فاز جديدي شامل اثرات لايه سطحي در كنار معادلات الاستيسيته براي استحاله كريستال-بي شكل شدن استخراج شد و مسائلي براي تعيين محدود فيزيكي ضخامت لايه سطحي ارائه و اثر آن بر نحوه استحاله بررسي گرديد. در بخش ديگر اين رساله نيز اثرات ترموالكتريك ناشي از اعمال ولتاژ بر روي نانو فيلم GST به‌كمك مدل ميدان فاز مورد بررسي قرار گرفت كه اين مدل علاوه بر معادلات ميدان فاز و الاستيسيته، معادلات هدايت حرارتي و پواسون براي لحاظ نمودن اثر ترموالكتريك را در بر مي‌گيرد. به‌كمك اين مدل، نحوه تغييرات دما و به‌تبع آن، استحاله كريستالي- بي شكل شدن تحت ولتاژ خارجي بررسي و ولتاژ بحراني كريستالي شدن استخراج گرديد. قابل‌ذكر است شبيه‌سازي عددي مدل‌هاي مذكور در نرم‌افزار چند فيزيكي كامسول انجام و صحت سنجي و اعتبار سنجي‌هاي موردنياز صورت گرفت.

In recent years, GST alloy has been considered as the main material of phase change memories, which is due to its very fast and reversible phase change between its crystalline and amorphous structures. In this research, for the first time, a phase field model for crystallization/amorphization of in this alloy in the presence of mechanical effects has been proposed. The free energy in the previous phase field models only included double-well, thermal, and gradient terms; thus, the phase field model was able to investigate crystallization/amorphization only under temperature changes. Here, it was shown that the mechanical effects and the corresponding driving forces in the form of transformation and thermal strains and elastic and inelastic stresses have a significant effect on the crystallization/amorphization even without thermal gradient, mechanical loading and surface effects. The mechanics based phase field model through the coupled equations of phase field and elasticity equations allowed for the study of crystalline-amorphous transformation of GST under mechanical and thermal loads. To study the surface induced crystallization/amorphization, an external surface layer was intorduced and its effects on the crystalization/amorphization was investigated. Such layer is introduced using a new order parameter in the boundary region with a certain thickness within which material properties continuously vary from solid to gas. Therefore, a new phase field equation for crystalization/amorphization was derived within the surface layer which includes its effects, and problems were presented to determine the physical range of the surface layer width, and its effect on the transformation was investigated. The thermoelectric effects in the GST nanofilm due to the applied voltage were also investigated using an advanced model that, in addition to the phase field and elasticity equations, includes thermal conductivity and Poisson equations.A results, the temperature evolution and consequently, crystalline-amorphous transformation under external voltage was investigated and the critical voltage of crystallization was extracted. It is worth mentioning that the above models are implemented in Comsol multi-physics software and necessary verifications and validations were performed.

مهدي جوان بخت

صالح اكبرزاده

محمد سيلاني , حسين جعفرزاده , مصطفي جمشيديان