基于分子動力學(xué)的微結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的仿真和實驗研究.pdf

1、微機電系統(tǒng)和納機電系統(tǒng)是基于納米科技發(fā)展起來的新興前沿技術(shù)，當(dāng)微結(jié)構(gòu)尺寸達到微米量級，甚至納米量級時，由于小尺寸效應(yīng)、量子效應(yīng)及表面效應(yīng)的影響，微結(jié)構(gòu)的設(shè)計理論與方法和傳統(tǒng)機械設(shè)計理論與方法有著本質(zhì)的不同，材料的力學(xué)特性、缺陷、彈性模量、載荷特性和失效機理等都將發(fā)生質(zhì)的變化。依據(jù)經(jīng)典連續(xù)介質(zhì)力學(xué)建立起的機械設(shè)計理論與方法將不能直接沿用至微結(jié)構(gòu)的設(shè)計問題當(dāng)中，必須應(yīng)用近代物理學(xué)的最新成果，從微觀的角度在分子尺度上去研究微機械的力學(xué)特性。本

2、文應(yīng)用分子動力學(xué)仿真技術(shù)研究微結(jié)構(gòu)拉伸和壓痕過程的變形機理并定量的計算出一些力學(xué)性能，同時利用原子力顯微鏡進行納米壓痕實驗驗證。這對于全面認識微結(jié)構(gòu)變形過程的機理，指導(dǎo)微結(jié)構(gòu)的設(shè)計和制造過程，具有重要的理論意義和實用價值，并將為微/納機電系統(tǒng)的進一步發(fā)展提供理論基礎(chǔ)。
　　本文首先分析了微結(jié)構(gòu)力學(xué)性能分子動力學(xué)仿真的一般方法，討論了適合于微結(jié)構(gòu)力學(xué)性能仿真的勢能函數(shù)和求解算法，在此基礎(chǔ)之上，采用邊界層—恒溫層—牛頓層三層結(jié)構(gòu)建立了

3、單晶Cu和單晶Si納米桿微結(jié)構(gòu)單軸拉伸過程的三維分子動力學(xué)仿真模型。仿真中采用Sutton-Chen勢描述單晶Cu原子間的相互作用；采用Tersoff勢描述單晶Si原子間的相互作用。Verlet算法的速度格式用于求解運動方程。Visual C++和OpenGL語言分別用于計算程序和圖形顯示。分別從變形機理、能量演化、應(yīng)力應(yīng)變分析和拉伸速度對變形的影響等四個方面對單晶Cu和單晶Si納米桿拉伸過程在馳豫、彈性變形和塑性變形各個階段的力學(xué)行為

4、進行了較詳細的分析。計算結(jié)果表明，單晶Cu和單晶Si納米桿的拉伸過程均未發(fā)現(xiàn)位錯的運動，其變形機理為非晶態(tài)的塑性變形；根據(jù)應(yīng)力應(yīng)變曲線計算出的單晶Cu和單晶Si納米桿的拉伸強度遠遠高于宏觀塊狀材料，接近理論強度值，彈性模量的計算值和宏觀測量值基本吻合，沒有表現(xiàn)出和尺度相關(guān)。拉伸強度隨著拉伸速度的增大而增大，表現(xiàn)出應(yīng)變速率強化機制。
　　其次，使用分子動力學(xué)仿真對單晶Cu和單晶Si薄膜的納米壓痕過程進行了仿真，以揭示其壓痕過程中的彈

5、塑性變形的力學(xué)機理并定量地提供出一些力學(xué)性能。金剛石壓頭原子和Cu原子之間的相互作用采用Morse勢描述；金剛石原子和Si原子之間的相互作用采用修改的Tersoff勢描述。為研究不同的壓痕深度對壓痕變形機理的影響，分別對幾種最大壓痕深度的情況進行了仿真。仿真結(jié)果表明，單晶Cu薄膜在壓痕過程的初期存在位錯的產(chǎn)生，但隨后又被非晶態(tài)的塑性變形取代。單晶Si晶體在壓痕過程中發(fā)生了由α相轉(zhuǎn)變?yōu)棣孪嗟南嘧?。根?jù)載荷—壓深曲線計算出的壓痕硬度值大約比

6、試驗值高出一個數(shù)量級，接近理論硬度值。隨著最大壓痕深度的減小，單晶Cu和單晶Si薄膜試件的硬度和彈性恢復(fù)量均呈增大趨勢，表現(xiàn)出壓痕的尺度效應(yīng)。在仿真的同時，提出了基于AFM的納米壓痕試驗的一般步驟并利用AFM金剛石針尖對真空蒸發(fā)鍍膜方法制得的單晶Cu薄膜的彈性模量和硬度進行了定量測量。對不同壓痕深度下的硬度值的測量得到了壓痕的尺度效應(yīng)，證實了分子動力學(xué)仿真模型的有效性。
　　最后，針對分子動力學(xué)的計算瓶頸問題，提出了網(wǎng)格化分子動力