基于Keating勢模型的-111-與-112-硅納米梁高頻振蕩特性研究.pdf

1、近年來硅微納制造技術發(fā)展迅速，以硅微米梁為重要單元的微電子機械系統(tǒng)(MEMS)已經(jīng)越來越不能滿足人們的生產(chǎn)和生活需要，而以硅納米梁為重要單元的納電子機械系統(tǒng)(NEMS)器件具有遠超MEMS的優(yōu)秀性能，如振動頻率達到GHz，品質(zhì)因數(shù)能夠達到105、功率低至10-17瓦等等。除此之外，硅納米梁還擁有不同尋常的熱導率、場發(fā)射等物理性質(zhì)。所以硅納米梁在光電子器件、新能源利用方面以及諧振器、混頻器、濾波器、生物化學傳感器等方面都有著極大的發(fā)展空間

2、。然而，對于硅納米梁的研究仍然存在很多難題。當硅梁尺寸進入納米級時，原來不需要過多考慮的尺寸效應、表面效應和量子效應對硅材料的影響變得尤其顯著，硅納米梁所包含的原子的行為變得更加復雜。雖然目前為止已能夠?qū)杓{米梁進行軟件仿真和實物制造，并從研究中得到了一些硅納米梁的特性，但仍然需要準確的理論模型來描述硅納米梁的諧振頻率特性。另一方面，固有的連續(xù)體理論模型不能精確地得到硅納米梁的頻率特性。因此，人們急需建立新的理論模型來準確描述硅納米梁的

3、頻率特性。
　　本文的主要工作有:
　　(1)基于Keating勢能模型，在硅納米梁的厚度和寬度方向采用了半連續(xù)體模型，建立了<111>、<112>方向的理想情況下硅納米梁頻率理論計算模型。該理論計算模型進一步發(fā)展了硅梁的半連續(xù)體模型，描述了硅原子行為，大大簡化了計算過程，避免了運用仿真軟件所消耗的冗長的計算時間，保證了很高的計算精度和計算效率。
　　(2)針對<111>方向不同的截面如正三角形、菱形、正六邊形分別建立

4、了頻率特性理論計算模型，并比較得出了不同截面對硅納米梁頻率特性的影響。
　　(3)從理論上綜合研究了不同晶向的硅納米梁的長度、寬度、厚度、邊長以及表面弛豫、表面重構、不同截面形狀對硅納米梁頻率特性的影響。
　　(4)將理論計算結果和分子動力學軟件的仿真結果對照，發(fā)現(xiàn)仿真結果和計算結果變化趨勢一致。
　　從獲得的理論模型計算結果可知，對于<111>和<112>方向的硅納米梁，其頻率與長度的平方成反比趨勢，并且頻率在寬度、

5、厚度以及邊長分別增大時也會有不同程度的增大。對于<111>方向三種截面（三角形截面、菱形截面和六邊形截面），其表面積與體積之比(SVR)不相同，其頻率也不相同。表面弛豫系數(shù)和表面重構效應對硅納米梁的頻率特性有著較大的影響。
　　本文建立的基于Keating勢能模型的硅納米梁半連續(xù)體模型可以得到不同尺度的硅納米梁頻率特性，并且分子動力學軟件的仿真結果和相關的實驗結果也驗證了理論計算模型的正確性。由于本文研究的硅納米梁可以作為NEMS