Cu纳米线的拉伸行为研究毕业设计.docx

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Cu纳米线的拉伸行为研究毕业设计

毕业设计（论文）

Cu纳米线的拉伸行为研究

学生姓名XXX

学号XXXXXX

专业班级焊接技术与工程

指导教师XXX

提交日期

材料科学与工程学院

摘要

硅材料是目前太阳能电池的主导材料，在成品太阳电池成本份额中，硅材料占了将近40%，商用光伏产品中的晶体硅太阳电池转换效率多在10％左右。

受材料及制备工艺的影响，晶体硅电池已经很难再提高转换效率或降低成本。

从商业产品发展的角度考虑，低成本、高效率、大面积的薄膜太阳电池的开发工作才有实际意义，因此人们把目光投向了这种新型的太阳电池。

薄膜太阳电池只需几微米厚就能实现光电转换，是降低成本及提高光子循环的理想材料，例如非晶硅、CuInSe2（CIS）、CuInGaSe2（CIGS）、和CdTe..等半导体薄膜材料。

其中C1GS薄膜因其独特的优异性能而被称为最有希望的光伏器件，而铟硒铜（CuInSe2，简称CIS）是最重要的多元化合物半导体光伏材料，光电转换效率高、性能稳定不会发生光诱导衰变，价格也低于传统的晶体硅模件，因而成为各国的研究热点之一。

本文首先回顾了薄膜太阳能电池的研究历史和现状，并简要介绍了计算机模拟方法的理论基础。

利用计算机模拟中的分子动力学模拟的方法，本论文的主要目的：

（1）：

了解薄膜太阳能电池的国内外研究背景及现状；

（2）：

课题主要目地在于运用分子动力学原子模拟对Cu纳米线拉伸的行为进行研究；

（3）：

模拟并统计工艺参数（重点是拉力，温度）对Cu纳米线的影响。

因此，我们的工作对于探索和促进CIS薄膜的研究和发展具有重要意义和参考价值。

关键词：

Cu纳米线，拉伸，分子动力学原子模拟

Abstract

Siliconsolarcelliscurrentlythedominantmaterial,inthefinishedcostofsolarcellsshare,siliconmaterialaccountedfornearly40%,commercialphotovoltaicproductsinthecrystalsiliconsolarcellconversionefficiencyin10%.Influencedbymaterialandeffectofpreparationtechnique,crystalsiliconsolarcellshavebeenverydifficulttoimprovetheconversionefficiencyandreducethecost.Fromacommercialproductdevelopmentpointofview,lowcost,highefficiency,largeareathinfilmsolarcelldevelopmentworkhasactualmeaning,sopeoplepaymoreattentiontothisnewtypeofsolarcell.Thinfilmsolarbatteryofonlyafewmicronsthickcanachievephotoelectricconversion,isreducingthecostandimprovingthephotonrecyclingisanidealmaterial,suchasamorphoussilicon,CuInSe2（CIS）,CuInGaSe2（CIGS）,andCdTesemiconductorfilmmaterials.TheC1GSfilmbecauseofitsuniqueexcellentperformanceandisknownasthemosthopefulphotovoltaicdevices,andindiumseleniumcopper（CuInSe2,CIS）isthemostimportantcompoundsemiconductorPVmaterial,highphotoelectricconversionefficiency,stableperformanceoflightinduceddecaydoesnotoccur,thepriceislowerthanthetraditionalcrystallinesiliconmodule,thusbecomeahotspotintheresearchof.Thisarticlefirstreviewedthefilmsolarcellresearchhistoryandstatusquo,andbrieflyintroducesthebasictheoryofcomputersimulationmethod.Usingcomputersimulationsinmoleculardynamicssimulationmethod,themainpurposeofthispaper:

（1）:

understandingthefilmsolarcellresearchbackgroundandcurrentsituationathomeandabroad;

（2）:

themainpurposeofusingmoleculardynamicssimulationonatomicCunanowirestensilebehaviorof;

（3）:

simulationandstatisticalparameters（focusontension,temperature）onCunanometerlineseffect.

Therefore,weworktoexploreandpromoteCISfilmresearchanddevelopmenthasimportantsignificanceandreferencevalue.

Keywords:

Cunanowires,tensile,moleculardynamicssimulationofatomic

摘要…………………………………………………………………………………………I

Abstract…………………………………………………………………………………Ⅱ

第一章文献综述………………………………………………………………………….1

1.1研究背景、现状与意义…………………………………………………………..…….1

1.2.1研究目的……………………………………………………………………4

1.2.2研究内容……………………………………………………………………5

第二章分子动力学简介与GULP软件………………………………………………….6

2.1计算材料科学…………….……………………………………………………………….6

2.2原子模拟与分子动力学简介…………………………………………………………….7

2.3分子动力学（MolecularDynamics,简称MD）方法…………………………..8

2.3.1引言………………………………………………………………………….8

2.3.2分子动力学模拟方法基本原理……………………………………………9

2.4.1基本理论…………………………………………………………………...13

2.4.2分子动力学基本假设……………………………………………………………...14

2.4.4原子间相互作用势…………………………………………………………………18

2.5分子动力学在材料科学中的应用…………………………………………………………19

2.5.3分子动力学的最新发展…………………………………………………………..22

2.6Gulp软件在分子动力学模拟中的应用………………………………………………23

第三章结论及分析…………………………………………………………………………...........25

3.1拉力………………………………………………………………………………………….25

3.2温度…………………………………………………………………………………….

3.3时间…................................................................................................................................

第一章文献综述

1.1研究背景、现状与意义

能源和环境是人类社会必须面对的两大基本问题,日本经济产业省发表的<<2003年读能源白皮书>>预测,随着中国汽车的普及,2010年到2020年间,中国的石油进口量将达到与日本同等规模,能源供应将成为中国能否持续稳定发展的关键因素.所以利用太阳能是同时解决能源与环境这两个问题的最佳选择.结合于我国现状,薄膜太阳能的研发更是具有前景的科学项目.随着煤，石油，天然气等能源日益枯竭和环境污染日益加剧，人们迫切需要寻找清洁可再生新能源。

作为地球无限可再生的无污染能源——太阳能的应用日益引起人们的关注，将太阳能转化为电能的太阳能电池的研制得到了迅速的发展。

目前以商品化的晶体硅太阳能电池的光电转化效率最高。

但受材料纯度和制备工艺限制，成本高，很难再提高转化效率或降底成本。

薄膜太阳能电池只需几微米的厚度就能实现光电转换，是降低成本和提高光子循环的理想材料。

所以太阳能转换材料的研究和开发的意义十分重大。

目前一种既具有高的光电转换效率，又具有比较低的制作成本，而且非常有希望在未来10年能获得较大规模应用，无论从理论计算还是从已经取得的实际研究结果的确可以使人有理由相信这一点。

这种电池就是一铜铟镓硒（CIGS）为太阳光吸收层的搞笑薄膜太阳能电池，简称为铜铟镓硒电池火CIGS电池。

其典型的结构为：

Glass/Mo/CIGS/ZnS/ZnO/ZAO/MgF2.

CIGS组成可表示成Cu（In-xGax）Se2的形式，具有黄铜矿相结构，是CuInSe2和CuGaSe2的混合半导体。

CIGS薄膜太阳能具有优良的特性，一些技术发达的国家对CIGS薄膜太阳能能电池非常的重视，投入巨资进行研究和开发，尤其日本，美国，德国研究水平已经处于世界领先，已经接近和达到可以实际生产。

而且其性能和品质在不断的提高。

2002年全世界太阳电池的生产量比上一年增加31%，达到520MW，日本企业的生产规模在大幅度增加，（表1）到2002年日本的生产规模达到了254MW，已经占到III界产量的50%。

近5年中产量每年以5017,以）的增幅增加，按照这种增速，今后5年，日本的太阳电池的产量将占到世界总产量的70-80%，居于绝对的领先地位。

根据『日本太阳光发电协会（JPEA）』的调查，2001年的日本国内太阳电池市场规模约为1100亿日元、随着太阳电池产业的急速成长，JPEA制订了太阳光发电的产业蓝图（Vision）"，要把太阳光发电产业培育成一个1万亿日元（100亿美元左右）的产业。

到2030年，仅在日本，太阳电池的年产量也将达到1000万kW。

如果是现有的单晶、多晶、微晶Si太阳电池的话，消耗的Si的总量将达到10万吨，是现在各种用途合计使用的Si的总生产量的25倍。

这无论从原料供应和生产成本上都是不可能的。

表一：

世界各国太阳电池生产量

日本

美国

欧洲

2000年（MW）

128．6

74.97

60.66

2001年（MW）

171.22

105.1

86.22

2002年（MW）

254.50

112.90

112.06

其它地区

23.42

31.60

40.70

总计

287.65

394.14

520.15

日本企业的生产规模在2002年已经达到了254MW，已经占世界产量的50%，居于绝对的领先地位。

2002年有关CIGS太阳能电池的国际会议就有三个，分别是5月20-24日在美国纽奥林斯召开的29thIEEE/PVSC，11月21-22日在欧洲举行的E-MRS2002和12月2-5日在美国波士顿召开的2002MRSFallMeeting.现在学术界和产业界普遍认为太阳能电池的发展已经进入了第三代。

第一代为单晶硅太阳能电池，第二代为多晶硅，非晶硅等低成本太阳能电池，第三代太阳能电池是高效，低成本，可大规模工业生产的铜镓硒等化合物薄膜太阳能电池及薄膜SI系太阳电池，其制造成本在近期可以达到低于75日元/W的水平。

日本和欧美在CIGS的研究方面投入大量人力和物力，并取得相当快的发展。

与国际上研究开发的力度和规模相比较，国内太阳电池的研究方面。

对CIGS薄膜太阳能电池的研究几乎微不足道，以自然科学基金和国家863计划为主的基础研究资金投入不足300万人民币，相关基础研究水平较低，国内目前达到的实验室最高光电转化率仅为8%-9%.以产业化为目的的研究项目有南开大学光电子所的“2001年能源技术领域后续能源技术主题太阳能薄膜电池“863”项目”CIGS课题，科技部资金支持强度约2000万人民币，目标是建成0.3MW中试线。

大约在2001年以前国内从事CIGS薄膜太阳能电池研究的单位极少，稍有影响的是天津南开大学光电子所和清华大学机械工程系功能薄膜研究室。

近期通过网站和别的途径了解到，一些单位计划申请理想准备开展这方面的研究，例如北京科技大学，钢铁研究总院等，但是从立项计划书中的研究计划可以知道，研究水平可以说是处于非常初始的阶段，或者说是没有研究基础只是计划研究CIGS太阳能电池，这一点在我们学校很好的体现出来，老师和学长现在都处在对薄膜太阳能电池的一些性质和结构的研究，而且是计算机模拟，很难做到让大家在实验方面有所突破。

从以上事实可以看出我国与该领域技术领先国家的差距是非常大的，但是，这也不会让我国的科学家和专业人士气馁，最近有关CIGS薄膜太阳能出现了了一些新的积极可喜的发展动向.与国家在这方面低头人以及因之国内高校和研究机构的低强度低研究水平的状况相反,一些国内的企业家对CIGS太阳能电池显示出极大的热情以及资金投入和领域介入的积极性.所以我国现在对这方面的研究有很大的发展领域.

研究CIGS是具有重大意义的，它具有以下几点优势，可以在性能，效率，节能等反面超越以往的任何电池。

（1）：

CuInSe2中In用Ga替代，可以使半导体的禁带宽度在1.04到1.65eV间变化，非常适合于调整和优化禁带宽。

如在膜厚方向调整Ga的含量，形成梯度带隙半导体，会产生背表面场效应，可获得更多的电流输出;使pn结附近的带隙提高，形成V字形带隙分布等。

能进行这种带隙裁剪是CIGS系电池相对于Si系和CdTe系电池的最大的优势。

（2）：

由于CIGS本身的特殊物性，它可以在玻璃基板上形成缺陷很少的、晶粒巨大的、高品质结晶。

而这种晶粒尺寸是其他的多品薄膜无法达到的。

（3）：

CIGS的Na效应。

对于Si系半导体，Na等碱金属元素是避之唯恐不及的半导体杀手，而在CIGS系中，微量的Na会提高转换效率和成品率N}I因此使用钠钙玻璃作为CIGS的基板，除了成本低，膨胀系数相近以外，还有Na掺杂的考虑。

（4）：

CIGS是已知的半导体材料中光吸收系数最高的，达到105icmo

（5）:

没有光致衰退效应（SWE）的半导体材料，光照甚至会提高CIS的转换效率，因此此类太阳能电池的工作寿命长。

有实验结果说明比寿命较长的单晶硅电池的寿命一般比40年还长。

（6）：

CIGS是一种直接带隙的半导体材料，最适合薄膜化。

同时考虑到它的极高的光吸收系数，电池吸收层的厚度可以降低到2"3pm，这样可以大大降低原材料的消耗。

这些优势就是CIGS电池尽管为多晶薄膜但仍能取得很高转换效率的原因。

同时由于这类电池中所涉及的薄膜材料的制备方法主要为溅射方法和化学浴方法，这些方法均可以获得均匀大面积的薄膜低成本奠定了基础。

所以，研究CIGS薄膜太阳能电池的意义是十分重大的，尤其是我国现在还处在对它研究的初级阶段，更要加快步伐，尽管我们国家与该技术领域领先国家比较存在差距，但是我们国内相关单位开展此项工作达十年之久，尤其是近几年开展此项技术研究工作的单位的数量和研究人员在很快增加。

还有，在CIGS太阳能电池的所有摩西中，涉及到Mo,ZnO,Al2O3,ZnS,MgO以及Cu,In,Ga,Se等材料。

除了硒以外，都不是稀缺材料，而硒在我国还是相对丰富的。

这说明在我国发展CIGS太阳能技术在资源上具有优势和可行性。

1.2课题的研究目的及研究内容

1.2.1研究目的

从现在的国内外对于CIGS的研究和成果来看，CIGS薄膜太阳能电池是一个具有优良的性能，高的吸收效率，宽的能量带系的新型的具有很大发展前景的材料。

鉴于这样，我国不能落后，尽管现在我们国家跟在这方面发展迅速的国家相比距离相差很大，但我们也有我们的优势，我国也有研究和施行的可行性，对于我们国家人民以后的生活具有很大的影响。

我国在技术上，资源上，资金上，成本上都具有很大的发展潜力。

但是在这些有利条件的前提下，我们的可科研人员就要做出很大的贡献，在引进国外先进的技术的同时，我们也要建立起我们国家自己的技术，我们要树立最终必须依靠自己国内研究力量的思想。

所以本论文研究目的是通过采用花费较低的原子模拟的方法——分子动力学模拟，在比较短的时间里得到其在拉力、温度的变化下的Cu纳米线的性质，为探索和促进CIGS太阳能薄膜电池的研究和实用化的重要意义提供参考价值，将为其成分设计和确定制备工艺提供新思路和理论依据。

1.2.2研究内容

（1）：

了解薄膜太阳能电池的国内外研究背景及现状，对CIGS的性能、制备等各个方面做出一个系统的认定；

（2）：

课题主要目地在于运用分子动力学原子模拟对Cu纳米线拉伸的行为进行研究；

（3）：

模拟并统计工艺参数（重点是拉力，温度）对Cu纳米线的性质和弹性模量的影响。

第二章分子动力学简介与GULP软件

2.1计算材料科学

1946年，在冯·诺依曼的理论指导下，美国研制出了第一代电子计算机。

电子计算机的出现促进了现代数值计算方法的发展，而电子计算机技术和计算方法的发展，使得用传统的数学物理方法不能解决的问题得以解决，正是在这种情况下，促生了一门新兴的科学——计算物理学。

计算物理学是伴随着电子计算机的发展而逐步形成并获得发展的，它是物理学、数学和计算机三者相结合的产物。

计算物理学是一门以物理和其他科学工程技术问题为出发点，运用数学的方法，并以电子计算机为工具来研究物理现象和规律的学科，它扩展了理论物理学，超出了分析方法的局限性，并扩展了实验科学的领地，因此它具有很强的应用性。

今天，计算物理学已发展成为与理论物理学和实验物理学相并列的一门科学。

20世纪40年代初，第二次世界大战时期，当时美国在研制核武器的工作中，迫切需要解决流体动力学过程、核反应过程、中子输运过程和物态变化过程等交织在一起的一系列问题，它们涉及的都是十分复杂的非线性方程组，用传统的解析方法求解是根本不可能的，因为需要在短时间内进行大量复杂的数值计算，没有计算机而靠人们手工运算或用机械计算器也是绝对不可能的。

这样，计算机在物理学研究中的应用就成为必然。

计算材料科学是计算物理学体系中的一个子系统。

材料科学包括固体材料、液体材料、气体材料。

其中、固体材料的品类最多应用最广泛，因此，研究最多的也是固体材料。

固体材料的内容相当广泛，概括起来有金属材料、半导体材料、陶瓷材料、离子材料、分子材料、有机高分子材料以及近十几年兴起的纳米材料等。

计算材料科学主要是在微观的分子和原子层面上对材料的性质进行研究，其研究方式是用分子动力学方法和蒙特卡洛方法进行模拟运算。

在统计力学和凝聚态物理中的计算机模拟研究工作可追溯到20世纪50年代，到今天，它已经发展到物理化学的许多领域中，成为不可缺少的研究手段。

特别在材料科学中，计算机“实验”成为多粒子系统模型和试验观测之间重要联系方式。

2.2原子模拟与分子动力学简介

经典原子模拟最早是由Boswara和Lidiard进行的，他们试图确定NaCl结构和卤化铈中肖脱基缺陷（Schottkydefect）的形成能。

实际上，早期的模拟绝大多数考虑高离子化和极其简单的化合物。

在20世纪70年代用类似的方法研究了过渡金属氧化物。

Catlow研究组的工作是原子模拟技术发展的主要推动力，早期集中于UO2缺陷能以及核裂变产物的计算。

在这些研究中，很多先驱性的技术得以应用。

原子模拟既可以进行完美晶体的计算，也可以计算缺陷能。

开始时原子模拟仅限于块体状缺陷性能的计算，现在已经能够计算表面性能了。

计算机工业在过去的几十年里快速发展，集成电路上晶体管的数目一直遵循摩尔定律按指数方式增长，计算机计算的功能越来越强大。

最近，计算机原子模拟已应用于生物领域，用来确定复杂的蛋白质结构。

这在十年前是不可想象的复杂系统。

原子间的力可以通过两种方式来确定：

基于牛顿力学的经典方式和基于量子力学的第一性原理的方式。

虽然我们采用经典方法用计算机来模拟，但不应该忽视量子力学方法的研究，因为从本质上看后者更为精确。

但量子力学方法计算量巨大，当面对有限的计算资源时，它就不太适应性了。

对于原子模拟的每个离子，经典计算远为高效，且计算量要小的多，这使得它能够考虑大量数目的原子。

当然，当未来计算能力有了根本性的飞跃之后，对更大的系统用量子力学模拟将是更好的选择。

有些研究者对晶格的局部结构采用量子力学方法，对整个晶体采用原子模拟技术，不失为一种较好的折中方法。

分子动力学方法是一种计算机模拟实验方法，是研究凝聚态系统的有力工具。

该技术不仅可以得到原子的运动轨迹，还可以观察到原子运动过程中各种微观细节。

它是对理论计算和实验的有力补充。

广泛应用于材料科学、生物物理和药物设计等。

经典MD模拟，其系统规模在一般的计算机上也可达到数万个原子，模拟时间为纳秒量级。

2006年进行了三千二百亿个原子的模拟（IBMlueGene/L）。

 分子动力学总是假定原子的运动服从某种确定的描述，这种描叙可以牛顿方程、拉格朗日方程或哈密顿方程所确定的描述，也就是说原子的运动和确定的轨迹联系在一起。

在忽略核子的量子效应和Born-Oppenheimer绝热近似下，分子动力学的这一种假设是可行的。

所谓绝热近似也就是要求在分子动力学过程中的每一瞬间电子都处于原子结构的基态。

要进行分子动力学模拟就必须知道原子间的相互作用势。

在分子动力学模拟中，我们一般采用经验势来代替原子间的相互作用势，如Lennard-Jones势、Mores势、EAM原子嵌入势、F-S多体势。

然而采用经验势必然丢失了局域电子结构之间存在的强相关作用信息，即不能得到原子动力学过程中的电子性质。

2.3分子动力学（MolecularDynamics,简称MD）方法

2.3.1引言

随着计算机的软硬件和计算技术的长足发展，利用计算机对物质的微观结构和运动进行数值模拟计算得到了迅速发展，并在此基础上发展形成了计算机模拟技术，即以计算机为主要工具，以真实系统或预研系统为模拟模型，通过对计算机输出信息的分析