توصيفگر ها :
ديناميك مولكولي , ميدان فاز , دوكريستاله , نابجايي , خواص وابسته به دما
چكيده فارسي :
نابجاييها، به عنوان يكي از مهمترين عيوب ساختاري، نقش عمدهاي در تعيين خواص و رفتار بسياري از مواد ايفا مينمايند. در اين رساله، مطالعه چگونگي پيدايش و رشد نابجاييها در سيليكون دو كريستاله در ابعاد نانو با استفاده از روش ديناميك مولكولي و ميدان فاز مورد بررسي قرار گرفته است. در ابتدا، به كمك محاسبات ديناميك مولكولي، رفتار سيليكون دو كريستاله تحت تنش برشي و در دماهاي مختلف كاري، در سه ساختار مرزدانهاي پركاربرد آن شامل ساختارهاي 3∑، 9∑ و 19∑ شبيهسازي شده است. سپس به بررسي كمي و كيفي چگونگي شكلگيري نابجاييها پرداخته شد. اين بررسي شامل اندازهگيري تنش شكلگيري اولين نابجاييها، تعداد نابجاييها، سرعت نابجاييها، مقدار انرژي حالت پايداري سه ساختار مختلف دوكريستاله سيليكون، مقدار انرژي تلف شده در اثر ايجاد نابجاييها، مساحت ناحيه بيشكل و طول نابجايي بود. همچنين رصد گرافيكي رشد و انتقال نابجاييها از يك كريستال به كريستال مجاور، تغييرشكل پلهاي ايجاد شده در مرز دانه در اثر شكلگيري اولين نابجاييها و وقوع پديده بيشكل شدن مورد بررسي قرار گرفت. تغييرات هر يك از موارد فوق در بارگذاريهاي مختلف شامل اعمال تنشهاي برشي خارجي ضمن تغيير دماي كاري مورد بررسي قرار گرفته است. مهمترين جنبه نو آوري رساله حاضر، بررسي تغييرات وابسته به دماي پارامترهاي فوقالذكر ميباشد. همچنين نوع بارگذاري توصيف شده يكي از جنبههاي نوآورانه اين رساله ميباشد. شبيهسازيهاي انجام شده در ديناميك مولكولي در نرمافزارهاي آووگادرو، ويامدي انجام و در اويتو نمايش داده شده است. پس از ثبت كمي و توصيف كيفي نتايج بهدست آمده از شبيهسازيهاي ديناميك مولكولي، اين نتايج براي استخراج برخي پارامترهاي وروديهاي تحليل ميدان فاز مورد استفاده قرار گرفتند. هدف از تحليل اين دادهها در ميدان فاز، تعريف پارامترهاي مختلف براي انرژي هلمهولتز سيستم و حل معادله گينزبرگ-لاندا بود كه با استفاده از همين تحليل، چگونگي پيدايش، رشد، تعداد و تنش نابجاييها تعيين گرديد. جهت تعريف پارامترهاي مورد نياز در رابطه انرژي آزاد هلمهولتز و معادله گينزبرگ-لاندا از نتايج بهدست آمده از محاسبات ديناميك مولكولي استفاده گرديد. به عبارت ديگر، در بخش ميدان فاز، كوپل مكانيك-ميدان فاز با روش اجزاء محدود به كمك نرمافزار كامسول مورد بررسي قرار گرفت. مقايسهاي بين نتايج مدل ميدان فاز و نتايج ناشي از محاسبات ديناميك مولكولي صورت پذيرفت. در نهايت، مشخص گرديد كه با افزايش دما و همچنين افزايش تنش برشي اعمالي خارجي بر المان شبيهسازي، سرعت نابجاييها، تعداد نابجاييها، تنش شكلگيري اولين نابجايي و تنش بيشينه در المان شبيهسازي همگي افزايش مييابند. اين ميزان افزايش در ساختار 19∑ بيشتر و در ساختار 3∑ كمتر از ساير ساختارها مشاهده شد. اين موضوع نشأت گرفته از تأثير ساختار و مرز سيليكونهاي دوكريستاله است. شايان ذكر است كه بررسي تأثير همزمان تغيير دماي كاري و همچنين تنش برشي خارجي اعمال شده بر ساختارهاي سه¬گانه دوكريستاله سيليكون از ديگر جنبههاي نوآورانه رساله محسوب ميشود كه تحليل نتايج آن در ديناميك مولكولي و ميدان فاز، به ارائه نتايج تفصيلي مناسب از اين بررسي منجر گرديده است.
چكيده انگليسي :
Dislocations, as one of the most critical structural defects, play a pivotal role in determining the mechanical properties and deformation behavior of crystalline materials. This dissertation investigates the nucleation and evolution of dislocations in nanostructured bicrystalline silicon using a combined approach of Molecular Dynamics (MD) simulations and phase-field modeling. Initially, MD simulations were employed to examine the response of bicrystalline silicon under applied shear stress across a range of working temperatures, focusing on three representative grain boundary configurations: ∑3, ∑9, and ∑19. The study quantitatively and qualitatively assessed the onset and progression of dislocations, including the nucleation stress, dislocation count and velocity, steady-state energy of each bicrystal configuration, energy dissipation due to dislocation formation, amorphous region area, and dislocation length. Additionally, graphical tracking of dislocation movement between adjacent crystals, step-like deformation at grain boundaries, and the onset of amorphization were analyzed. The influence of varying shear loads and thermal conditions on these parameters was systematically explored. A key innovation of this work lies in its simultaneous evaluation of temperature-dependent dislocation dynamics under mechanical loading. MD simulations were conducted using Avogadro and VMD, with structural visualization and quantitative analysis performed in OVITO. The MD results were subsequently used to extract input parameters for phase-field modeling. This included defining the Helmholtz free energy landscape and solving the Ginzburg–Landau equation to capture the spatiotemporal evolution of dislocations. The mechanical–phase-field coupling was implemented via the Finite Element Method using COMSOL Multiphysics. Comparative analysis between the phase-field model and MD simulations revealed consistent trends: increasing temperature and shear stress led to higher dislocation velocities, greater dislocation densities, elevated nucleation stresses, and increased peak stress values. These effects were most pronounced in the ∑19 configuration and least evident in ∑3, underscoring the influence of grain boundary structure on dislocation behavior. The concurrent investigation of thermal and mechanical effects across multiple bicrystalline configurations represents a novel aspect of this study, offering detailed insights into dislocation-mediated deformation mechanisms in silicon at the nanoscale.
استاد داور :
مهدي سلماني تهراني , حسين جعفرزاده , ابوذر طاهري زاده , كوروش حسن پور , امير لهراسبي
