硅是地球上储藏最丰富、使用最广泛的半导体材料,在微电子领域已有大量应用。最近二十多年来,硅材料在微机电系统中也有广泛应用,如人们研制成功各种的硅微型压力传感器、硅微尺度的加速度计。热学性质是硅材料的一种基本物理性质,对它们的了解和掌握将有助于我们成功设计和可靠使用基于硅材料的各种微机电系统构件。热膨胀作为硅单晶材料的最重要的一种热学性质,长期以来得到了人们充分的理论与实验研究。人们通过实验,发现它在低温下有负热膨胀现象,研究表明,采用Stillinger-Weber模型,人们不能在低温下计算得到负热膨胀系数。因此应用该模型不能解释硅单晶材料的低温下有负热膨胀的物理机制,必须进行修正。本文将揭示硅晶体在低温下具有负热膨胀性质的微观机制,对Stillinger-Weber模型加以修正,使其能应用于硅单晶的热膨胀研究,为微型机电系统构件的合理设计和可靠使用提供理论依据。该研究方法同样适用于其他金刚石结构的晶体材料的热膨胀性质研究,具有普适性。本文的主要内容包括:1.介绍硅材料其热物性尤其是热膨胀性质的理论与实验研究现状及研究意义。2.介绍Stillinger-Weber模型下硅单晶分子动力学模拟的基本原理以及分子动力学模拟的主要步骤和流程,并加以实验数据进行模拟。3.采用晶格动力学的方法推导了硅单晶的热膨胀系数与原子间两体作用和三体作用的三阶力常数之间的关系式,通过微扰理论的运用推导出硅单晶的晶格常数和热膨胀系数的公式,由此探索硅单晶在低温下具有负热膨胀性质的物理机制。4.对硅单晶热膨胀性质的晶格动力学模拟结果、分子动力学模拟结果以及实验数据结果进行对比,并得出相关结论:硅单晶在低温下确实存在负热膨胀性质,引起该性质的根本原因是三阶力常数为正。