Scale dependence in mechanical behavior of silicon nanowires
Silikon nanotellerde mekanik davranışın ölçek bağımlılığı
- Tez No: 881903
- Danışmanlar: PROF. DR. BURHANETTİN ERDEM ALACA
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2024
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Koç Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 534
Özet
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.
Özet (Çeviri)
Based on fabrication, characterization, and modeling, this thesis explores the multifaceted fundamentals of silicon nanowire mechanical behavior. Despite their significant potential as building blocks in nano electromechanical systems, studies on silicon nanowires have so far failed to converge to draw a comprehensive picture of the scale dependence of their fundamental mechanical properties. Aiming to clarify the existing lack of consensus in this field, nanowires obtained through top-down fabrication are tested in-situ in three-point bending configuration, where the monolithic technology provides i) well-defined boundary conditions without generating any interface, and hence any additional compliance, between nanowire samples and their supports and ii) ample space for accommodating bending deflections during testing. Metrology work is carried out for the quantification of both nanowire dimensions and intrinsic stresses. Bending behavior is then interpreted through a newly developed multiscale model that primarily incorporates the surface effect through surface-induced intrinsic stresses by considering the native oxide surface state and crystalline anisotropy of surfaces. This is achieved by a combined approach based on molecular dynamics simulations and modified core-shell model. Furthermore, the utilization of machine learning facilitated by comprehensive molecular dynamics simulations enhances the scope of the methodology established in this study, employing artificial intelligence as a practical instrument for understanding the nanomechanics of silicon nanowires. Finally, a thorough analysis of uncertainties attributed to the interplay between processing-structure-property in silicon nanowires is conducted. The findings 1) bridge the 10-nm barrier that exists between computational and experimental studies due to various challenges in both realms; 2) link the evolution of the modulus of elasticity to nanowire critical dimension through the parameterization of surface inhomogeneity. A stiffening trend is quantified with increasing critical dimension. Experimental trendlines are validated through independent analytical and machine learning methods enabled through atomistic simulations; 3) reveal theoretical strength limit achieved by nanowires below 20 nm. This robust finding is in stark contrast to a substantial body of literature on nanowires of similar dimensions reporting strength values ranging from a few MPa to 20 GPa; 4) yield a confidence level surpassing 95% for fracture strength and 85% for modulus of elasticity estimations of silicon nanowires via error analysis of systematic and random error sources; 5) shed light on the crucial influence of the native oxide on the mechanical properties of silicon nanowires. Following the miniaturization trend in electronics as predicted by Moore's law, silicon nanowires due to their minuscule size resulting in exceptionally high resonance frequencies and significant surface-to-volume ratios emerge as primary candidates for transducers in the next generation of miniaturized sensors based on nano electromechanical systems. Employing a methodology that integrates comprehensive theoretical and multi-scale modeling along with state-of-the-art fabrication and characterization techniques, a series of enduring issues related to the interpretation of the scale effect in silicon nanowires have been conclusively resolved. The same approach can be applied to other low-dimensional materials including SiC, ZnO, core-shell and alloy nanowires as well as 2D materials including MoS2 and WS2.
Benzer Tezler
- Integration of silicon nanowires with 3D devices: Fabrication and modeling
Başlık çevirisi yok
MOHAMMAD NASR ESFAHANI
Doktora
İngilizce
2017
Makine MühendisliğiKoç ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. BURHANETTİN ERDEM ALACA
- Nanowire electromechanical switch as a tool forsurface characterization
Yüzey karakterizasyonunda nanotel elektromekanik anahtarın kullanımı
SEPEEDEH SHAHBEIGI ROUDPOSHTI
Yüksek Lisans
İngilizce
2019
Makine MühendisliğiKoç ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Assoc. Prof. Dr. BURHANETTİN ERDEM ALACA
- Silicon-based nanowires: Top-down fabrication and mechanical behavior
Başlık çevirisi yok
MUSTAFA YILMAZ
Doktora
İngilizce
2018
Makine MühendisliğiKoç ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. BURHANETTİN ERDEM ALACA
- Metal infiltre edilmiş mikro poroz karbon kompozitlerin aşınma ve sürtünme davranışının karakterizasyonu
Başlık çevirisi yok
GÜLTEKİN GÖLLER
Doktora
Türkçe
1997
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ADNAN TEKİN