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研究生: 鍾明臻
Chung, Ming-Chen
論文名稱: 以分子動力學模擬二硫化鉬薄膜在不同應變幅下的疲勞行為與疲勞破壞機制
Molecular Dynamics Modeling for Single Layer Molybdenum Disulfide Fatigue Behavior and Fatigue Damage Mechanism in Different Stress Amplitude
指導教授: 胡宣德
Hu, Hsuan-Teh
共同指導教授: 胡琪怡
Hu, Alice
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工學院 - 土木工程學系
Department of Civil Engineering
論文出版年: 2017
畢業學年度: 105
語文別: 中文
論文頁數: 97
中文關鍵詞: 低週疲勞二硫化鉬薄膜應變控制疲勞測試分子動力學LAMMPS
外文關鍵詞: molecular dynamics, SLMoS2, strain-control fatigue, LAMMPS
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  • 近年來半導體產業不斷藉由縮小電晶體尺寸來提升效能,為了配合先進奈米製程,勢必尋求新的替代材料與元件設計概念,二硫化鉬(MoS2)特殊的電子傳導、熱導、光學與機械特性,且易整合於現今元件製成,將可運用於新一代電子元件與積體電路上,為了確保以二硫化鉬薄膜為材料製造出的奈米元件,在製造及使用過程中皆能保有其結構完整性,已有多位學者研究其機械性質,包含彈性模數、破壞強度、韌性、拉伸測試等,但鮮少提及二硫化鉬薄膜的疲勞特性。在半導體製程及元件使用的過程中,由於電、熱或機械外力引起的循環應力,長期下來可能使材料內部產生微裂縫,造成元件失效,因此研究薄膜材料之疲勞行為,對保證微奈米元件之可靠度非常重要。
    此外,為了瞭解二硫化鉬是否具有適當的機械性質,使之能整合於可延展性聚合物基板上,以製備出柔性電路板(flexible electronics),本研究第一部分先以分子動力學軟體LAMMPS配合REBO (second-generation reactive bond-order)势能函數,進行等應變率拉伸,分別模擬單層二硫化鉬薄膜受2*1010 /s、2*109 /s、2*108 /s、2*107 /s之等應變率,單軸拉伸直至破壞之力學行為,並與奈米壓痕實驗結果與其它數值分析模擬文獻比較。
    第二部分模擬應變控制疲勞測試(strain-control fatigue test),使整個模擬盒子以等應變率往AC方向均勻變形,觀察在不同應變幅(strain amplitude)下,二硫化鉬薄膜之低週疲勞行為(Low-Cycle fatigue)。
    第三部分以微觀角度探討疲勞損傷累積的過程,運用OVITO可視化軟體匯出動畫與各個原子的應力、非仿射變形(non-affine displacement),以觀察原子在反覆載重下擴散(diffusion)之情形及裂縫型態與沿伸方向。

    Recently, the semiconductor industry has reduced the size of the transistor in order to improve the performance of it. Advanced nanometer devices require new materials and new design concepts. Graphene-like two-dimensional(2D) transition metal dichalcogenides(TMDs) have been attracting a lot of interests because of it astonishing properties. Molybdenum disulfide(MoS2) is one of TMDs. It has direct band gap of 1.8eV in monolayer and it’s bandgap can change with the number of layers. These properties tackle the gapless problem of graphene, thus make it industrial important. In order to ensure the reliability of these nano-devices made by MoS2, many scholars have studied their mechanical properties including elastic modulus, stiffness and breaking strength. However only limited experimental and simulation studies on cyclic deformation and fracture behavior. In this thesis, low-cycle fatigue behavior of single layer MoS2(SLMoS2) was studied by using Large-scale Atomic/Molecular Masively Parallel Simulation(LAMMPS) package.
    First, we bulid two modle ,one is the perfect SLMoS2, the other is the SLMoS2 containing a notch at the center. Then, uniaxial tension simulation under single loading along (airmchair)AC direction was carried out at 1K with four different strain rate (2*1010 /s、2*109 /s、2*108 /s、2*107 /s ) and the result was compared to the data of other literature[14][21][23][24]. Second-generation Reactive Bond-Order(REBO) potential sutiable for MoS2 has been chosen to describe the interatomic interaction.
    Second, strain-control tention-tention fatigue simulation was carried out at 1K with various strain amplitude on SLMoS2 containing a notch at the center. Strain rate employed in cyclic loading was 2*109/s. The direction of cyclic loading is also AC direction. From the simulation result, effect of cyclic strain amplitude on fatigue life and cyclic stress-strain behavior has been determined.
    Third, the development of fatigue damage with sucessive number of cycles has been examined using OVITO software. The diffusion of atoms under cyclic loading ,the defect type, crack propagation and the fracture machanisum have also been examined.

    目錄 論文摘要 i 致謝 v 目錄 vi 表目錄 viii 圖目錄 ix 第一章 緒論 1 1.1 二硫化鉬電晶體(MoS2 Transistor) 2 1.2 柔性電子產品(Flexible Electronics) 3 1.3 二維材料 (2D Material) 5 1.4 多尺度模擬 (Mutiscale Modeling) 7 1.5章節介紹 8 第二章 文獻回顧 9 2.1 奈米結構材料 9 2.2 二硫化鉬之晶體結構 10 2.3 二硫化鉬之材料特性與應用 13 2.3-1 光電特性 13 2.3-2 電學特性 13 2.3-3 機械性質 14 2.4 分子動力學於二硫化鉬薄膜之力學模擬 15 2.5 二硫化鉬薄膜之面內開裂行為 20 2.6疲勞理論 21 2.7 分子動力學模擬材料疲勞行為 25 2.8 SLMoS2力學行為模擬參數設定 31 第三章 模擬原理與方法 32 3.1分子動力學模擬簡介 32 3.1-1分子動理學基本原理與假設[35] 33 3.1-2分子動力學適用範圍與限制 34 3.1-3 邊界條件 34 3.1-4 势能函數與截斷半徑 35 3.1-5 系綜(Emsemble) 37 3.1-6 數值積分法則 37 3.2 LAMMPS模型 39 3.2-1模型設定 39 3.2-2邊界條件設定 40 3.2-3平衡階段參數設定 40 3.2-4單軸拉伸階段參數設定 40 3.2-5疲勞拉伸參數設定 41 3.2-6恆溫恆壓系統 41 3.2-7 勢能函數 41 3.3 原子級應力分析 44 3.4 局部剪應變與與局部剪應力分析 47 第四章 模擬結果與討論 48 4.1 二硫化鉬薄膜受單軸拉伸之力學行為 48 4.2 應變控制疲勞拉伸 53 4.2-1 等應變率2*109 / s拉伸 應變幅大小對疲勞行為之影響 53 4.3 疲勞損傷之累積狀況 72 4.4 疲勞缺陷(defect)分析 82 第五章 結論 87 參考文獻 89 附錄 93 LAMMPS input檔 93 應變率與溫度對含孔二硫化鉬薄膜之影響 96 表目錄 表1- 1 單層二維材料特性總表[7] 6 表2- 1 不同文獻之分子動力學模擬參數表[21][22][23][24] 31 表3- 1原始REBO函數截斷半徑與修改後REBO函數截斷半徑[24] 42 表4- 1 不同拉伸速度對應到之極限應力(應變)與破壞應變 48 表4- 2 疲勞參數設定與達破壞所需之循環週次 53 圖目錄 圖1- 1 奈米閘極二硫化鉬電晶體示意圖[4] 2 圖1- 2 二硫化鉬電晶體之TEM剖面圖[4] 3 圖1- 3 (a)柔性電子示意圖 (b)CNT(奈米碳管)薄膜電晶體[5] 4 圖1- 4 可撓曲式二硫化鉬電晶體示意圖[6] 4 圖1- 5 二維材料異質結構(heterostructure)[8] 6 圖1- 6 多尺度模擬示意圖[9] 7 圖2- 1 (a)二硫化鉬晶格結構(b)單層二硫化鉬晶格俯視圖[12] 11 圖2- 2 二硫化鉬晶格方向示意圖 11 圖2- 3 二硫化鉬1T,2H,3R晶相結構示意圖[7] 12 圖2- 4 二硫化鉬1T,2H晶相結構俯視圖 12 圖2- 5 二硫化鉬塊材與單層二硫化鉬能隙結構圖[7] 14 圖2- 6 二硫化鉬場效電晶體(以HfO2作為介電材料)[17] 14 圖2- 7 奈米壓痕實驗示意圖[19] 15 圖2- 8 由DFT計算出之應力應變關係圖[14] 16 圖2- 9 MD模擬搭配不同勢能函數SLMoS2受單軸拉伸之應力應變圖 17 圖2- 10 (a)SLMoS2分別在壓縮應變率為1.0μs-1、10.0μs-1、 100.0μs-1之情況下應力應變關係圖 (b) SLMoS2在不同壓縮 應變下挫曲結構圖[22] 18 圖2- 11 不同溫度下SLMoS2受單軸拉伸之應力應變圖[23] 19 圖2- 12 溫度1K在ZZ方向上卸載模擬 [23] 19 圖2- 13 不同層數二硫化鉬之應力應變圖[24] 20 圖2- 14 存在空位缺陷之二硫化鉬薄膜裂縫延伸路逕 [25] 21 圖2- 15 彈性遲滯迴圈(elastic hysteresis loop) [28] 23 圖2- 16 循環軟化與循環硬化示意圖[28] 24 圖2- 17 S-N(應力幅-週期)曲線圖 [26] [29] 25 圖2- 18 三種溫度下,銅薄膜在相同應變幅及相同循環次數下,出現 空位缺陷之原子結構圖(a)330K (b)370K (c)440K [30] 27 圖2- 19 (a)應力峰值對循環次數圖 (b)不同應變幅對應到不同循環次 數之材料變形圖(顏色代表剪應力)[31] 28 圖2- 20 (a)氧化石墨烯薄膜加入金屬離子之鍵結情形(b)說明金屬離 子增加薄膜機械強度之機制[32] 28 圖2- 21 (a)(c)氧化石墨烯薄膜受五次循環加載之應力應變圗 (b)(d)加入金屬離子之薄膜受五次循環加載之應力應變圗[32] 29 圖2- 22 單晶鐵在573K,不同應變幅對應之遲滯迴圈(hysteresis loop) [34] 29 圖2- 23 應變幅為±7%與±9%之循環應力響應圖[34] 30 圖3- 1 實驗流程與分子動力學模擬對照圖 32 圖3- 2 週期性邊界條件(主胞室與映像)[37] 35 圖3- 3 (a)二體势能示意圖 (b)多體势能示意圖 [38] 36 圖3- 4 速度Verlet積分法示意圖[39] 38 圖3- 5 含缺口之二硫化鉬薄膜模型圖 40 圖3- 6 平衡階段壓力隨時間之變化 42 圖3- 7 平衡階段溫度與能量隨時間之變化 43 圖3- 8 三維應力分量 [41] 44 圖3- 9 藍色區域為原子P0的Voronoi體積[43] 46 圖4- 1 完美之二硫化鉬薄膜單軸拉伸應力應變圖 49 圖4- 2 含缺口之二硫化鉬薄膜單軸拉伸應力應變關係 49 圖4- 3 以應變率2*108 /s拉伸,每顆原子之非仿射變形(non- affine displacement)平方值 53 圖4- 4 Case1薄膜整體之(a)應變 (b)動能 (c)位能 (d)應力隨循環 週次之變化 (e)循環應力應變圖 55 圖4- 5 Case2薄膜整體之(a)應變 (b)動能 (c)位能 (d)應力隨循環 週次之變化 (e)循環應力應變圖 57 圖4- 6 Case3薄膜整體之(a)應變 (b)動能 (c)位能 (d)應力隨循環 週次之變化 (e)循環應力應變圖 59 圖4- 7 Case4薄膜整體之(a)應變 (b)動能 (c)位能 (d)應力隨循環 週次之變化 (e)循環應力應變圖 61 圖4- 8 Case1 VonMises stress隨cycle數之變化情形 63 圖4- 9 Case2 VonMises stress隨cycle數之變化情形 65 圖4- 10 Case3 VonMises stress隨cycle數之變化情形 67 圖4- 11 Case4 VonMises stress隨cycle數之變化情形 69 圖4- 12 薄膜疲勞破壞時產生之絲狀物 69 圖4- 13 應變幅5.5%應力集中的狀況 70 圖4- 14 硬變幅6%應力集中的狀況 70 圖4- 15 應變幅6.5%每顆原子之非仿射變形平方值隨循環次數之變化 73 圖4- 16 應變幅6%每顆原子之非仿射變形平方值隨循環次數之變化 75 圖4- 17 應變幅5.8%每顆原子之非仿射變形平方值隨循環次數之變化 76 圖4- 18 應變幅5.5%每顆原子之非仿射變形平方值隨循環次數之變化 78 圖4- 19 以不同之應變幅反覆拉伸,疲勞損傷隨循環次數累積之情形 79 圖4- 20 應變幅6.5%及6%,疲勞損傷隨循環次數累積之情形 79 圖4- 21 應變幅5.8%及5.5%,疲勞損傷隨循環次數累積之情形 80 圖4- 22應變控制tension-tension fatigue之循環應力最大值與最小值隨循環次數之變化 80 圖4- 23 CVD製備之單層二硫化鉬薄膜產生之空缺(vacancy)形式[45] 83 圖4- 24 CVD製備之單層二硫化鉬薄膜產生之差排(dislocation)形式[45] 83 圖4- 25 應變幅6%之疲勞損傷情形(產生5環之結構) 84 圖4- 26 應變幅6.5%之疲勞損傷情形(產生5環、4環、8環之結構) 85 圖4- 27 應變幅5.8%之疲勞損傷情形(產生4環、5環之結構) 85 圖4- 28 應變幅5.5%之疲勞損傷情形(產生4環、5環之結構) 86

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    下載圖示 校內:2020-08-01公開
    校外:2020-08-01公開
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