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纳电子机械系统(NEMS)是在微电子机械系统(MEMS)基础上发展起来的具有纳米技术特点的器件和系统。单晶硅作为应用于MEMS和NEMS最广泛的材料,其物理参数多年来是最被重视和研究得最广泛的性质。杨氏模量在宏观上体现弹性体应力和应变的关系,与MEMS结构受力下的变形、挠度及谐振频率等重要特性有最直接的关系。从微观角度上,杨氏模量体现了单晶硅晶格中原子间化学键作用的强弱。因此,硅的杨氏模量是最受关注的NEMS基本参数之一。实验发现在材料的厚度减小到纳米量级时,杨氏模量与体材料相比发生了显著的变化。因此,建立多尺度硅材料的力学模型是重要的。
研究工作的关键在于:(1)建立复杂的、基于原子模型的连续介质模型,以期通过这一模型对实验数据或模拟结果给出一致的解释,最终获得稳定可靠的杨氏模最值:(2)由于采用MEMS技术向下延伸制造的NEMS器件中,同时存在从纳米尺寸到微米尺寸甚至到毫米外形的多尺度耦合问题,需要建立多尺度下无缝耦合的模型;(3)材料尺度进入纳米量级时,表面形貌将对材料的参数有所影响;(4)为研究NEMS体系,需要建立力、热耦合的模型。
1.基于半连续模型建立了多尺度单晶硅膜杨氏模量的解析模型,在模型中通过两体等效弹簧模型计算体系的形变能。并考虑了加工工艺导致的本征氧化层对杨氏模量的影响,建立了表面有氧化层的硅膜力学模型,对表面氧化层厚度不同的硅膜杨氏模量进行了分析和比较。
2.由考虑两体相互作用和三体相互作用的Keating形变势模型出发,计算了硅膜的形变能,并基于半连续模型建立了多尺度单晶硅膜杨氏模量的解析模型。并将此模型与由两体等效弹簧模型出发得到的结果进行了比较和分析。
3.在基于Keating形变势模型计算的多尺度单晶硅膜杨氏模量基础上,根据表面重构时表面原子结构对理想原子结构的变化,建立了考虑表面重构的多尺度单晶硅膜杨氏模量的解析模型。
4.以温度对晶格常数的影响、进而对Keating形变势模型中的力常数的影响为基础,由力常数变化的非谐Keating模型得到了温度不同时体系的形变能,建立了多尺度单晶硅膜杨氏模量和温度耦合的解析模型,并在模型中考虑了表面重构。
本文建立的解析模型可以得到多尺度单晶硅膜的杨氏模量值。利用分子动力学模拟结果和体硅的杨氏模量值,验证了模型的正确性。建立的多尺度硅膜杨氏模量的解析模型,对硅NEMS的研究和设计有一定的参考价值。