納米薄膜力學(xué)行為的分子動(dòng)力學(xué)模擬研究.pdf

1、隨著納米電子機(jī)械系統(tǒng)(NEMS)技術(shù)的發(fā)展，納米薄膜被廣泛用作NEMS的機(jī)械構(gòu)件和電子元件。由于小尺度效應(yīng)，納米薄膜的力學(xué)性質(zhì)和宏觀尺度下的薄膜顯著不同。利用經(jīng)典的分子動(dòng)力學(xué)方法，本文針對(duì)納米薄膜力學(xué)的一些問(wèn)題包括表面界面應(yīng)力和彈性變形行為，進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。 分子動(dòng)力學(xué)方法的一些基本原理在第二章中做了詳細(xì)的介紹。在第二章中，首先由統(tǒng)計(jì)物理學(xué)引入分子動(dòng)力學(xué)。鑒于系綜平均計(jì)算的困難，分子動(dòng)力學(xué)中的軌道平均(實(shí)際中是軌道抽樣)是一

2、個(gè)很好的替代。對(duì)于所研究的非孤立系統(tǒng)，環(huán)境本質(zhì)上也是一個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)。將環(huán)境的自由度合并成一個(gè)和幾個(gè)虛擬自由度。這樣所研究的物理系統(tǒng)和環(huán)境加起來(lái)就構(gòu)成了一個(gè)孤立系統(tǒng)，其動(dòng)力學(xué)方程可參照孤立系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程得到。除了動(dòng)力學(xué)方程外，原子間的相互作用也是分子動(dòng)力學(xué)方法中很重要的一部分。第二章中同時(shí)也討論了經(jīng)典勢(shì)函數(shù)的構(gòu)造和選取的一些基本原則。 第三章對(duì)分子動(dòng)力學(xué)模擬中原子應(yīng)力的一些概念和方法進(jìn)行了分析和討論，澄清了原子應(yīng)力計(jì)算方法上的一

3、些誤區(qū)。從定義上看，virial格式是用來(lái)計(jì)算均勻變形系統(tǒng)的應(yīng)力的，而Tsai格式是用來(lái)計(jì)算局部應(yīng)力的。在用來(lái)計(jì)算一個(gè)系統(tǒng)的平均應(yīng)力的時(shí)候，這兩種格式是完全等價(jià)的。和Tsai格式相比，因?yàn)閷?shí)施起來(lái)比較方便，virial分解式更多地用來(lái)計(jì)算原子應(yīng)力分布。然而，根據(jù)本章第一節(jié)關(guān)于virial分解式的推導(dǎo)，可以看到，virial分解式只是一個(gè)形式上的選擇，并不是根據(jù)嚴(yán)格的物理定理。通過(guò)詳細(xì)的分析對(duì)比可以看到，使用virial分解式來(lái)計(jì)算原子應(yīng)

4、力的時(shí)候，只有在所使用的勢(shì)函數(shù)截?cái)喟霃揭詢(xún)?nèi)，材料的變形和微結(jié)構(gòu)是均勻的，所得到的結(jié)果才準(zhǔn)確確。在一些情況下virial分解式可能給出不準(zhǔn)確甚至錯(cuò)誤的結(jié)果。比如，在計(jì)算表面附近的應(yīng)力時(shí)，由virial分解式得到的方向應(yīng)力分量在表面處不為零，而且virial分解式通常也會(huì)“低估”材料的微結(jié)構(gòu)和變形的非均勻性。 第四章通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)模擬，計(jì)算了納米單晶銅薄膜在馳豫前后能量和體應(yīng)力分量沿厚度方向的分布，并考察了Cu(001)表面馳豫對(duì)表

5、面附近能量和體應(yīng)力分布的影響。結(jié)果表明，表面能和表面應(yīng)力重要集中在表面最外原子層內(nèi)，表面馳豫將引起表面附近能量和應(yīng)力的釋放。表面附近能量的釋放沿厚度方向呈現(xiàn)出波動(dòng)的特點(diǎn)。表面附近各層原子的能量都隨著馳豫而下降，只有次外層，其能量反而升高。除了波動(dòng)的能量釋放形式外，結(jié)果中還觀察到非?！蔼?dú)特”的應(yīng)力釋放形式。面內(nèi)體應(yīng)力分量，σ<,xx>和σ<,yy>，并不是發(fā)生在應(yīng)力最集中的最外層，而是發(fā)生在次外層和第三層。于是就導(dǎo)致一個(gè)壓力層的存在。盡管

6、總的表面應(yīng)力仍然是拉應(yīng)力。表面馳豫的驅(qū)動(dòng)力來(lái)自于表面最外層原子配位數(shù)降低后的電子結(jié)構(gòu)調(diào)整。但是本文的結(jié)果顯示，體應(yīng)力的釋放并不是發(fā)生在最外層。這種“獨(dú)特”的應(yīng)力釋放規(guī)律可以從第一性原理的研究中獲得，對(duì)于它的掌握可以增加我們對(duì)表面馳豫和表面應(yīng)力起源的認(rèn)識(shí)。 第5章通過(guò)對(duì)Cu/Cu(100)同質(zhì)吸附以及Al/Ni(100)異質(zhì)吸附的分子動(dòng)力學(xué)模擬，詳細(xì)研究了吸附誘導(dǎo)表面應(yīng)力的起源。結(jié)果表明，在低覆蓋范圍內(nèi)(0-0.4ML)，吸附誘導(dǎo)

7、表面應(yīng)力主要源于吸附原子導(dǎo)致底物表面原子間的相互作用的改變；在中覆蓋直至高覆蓋范圍內(nèi)(>0.4ML)，吸附誘導(dǎo)表面應(yīng)力主要由吸附原子間的相互作用產(chǎn)生，也就是晶格失配。并進(jìn)一步指出，晶格失配產(chǎn)生的界面應(yīng)力與吸附層數(shù)的呈一定周期的波動(dòng)性。 第6章中，利用分子動(dòng)力學(xué)方法對(duì)納米單晶銅薄膜和單晶硅薄膜的彈性變形的尺度相關(guān)性進(jìn)行了模擬研究。在納米尺度下，材料和構(gòu)件彈性變形的尺度相關(guān)性包括彈性模量和泊松比的尺度相關(guān)性，以及變形剛度的尺度相關(guān)性

8、。將分子動(dòng)力學(xué)模擬中得到的結(jié)果和Lam等人提出的應(yīng)變梯度彎曲模型的理論解進(jìn)行了對(duì)比。本章的模擬結(jié)果給出以下幾點(diǎn)結(jié)論。在納米尺度下，材料和構(gòu)件的彈性性能和宏觀尺度有很大的不同，不光材料和構(gòu)件的有效彈性模量和泊松比與尺度相關(guān)，在非均勻變形下其無(wú)量綱化的剛度也依賴(lài)與構(gòu)件的尺度。對(duì)于單晶硅納米薄膜和單晶銅納米薄膜，當(dāng)薄膜的厚度大于10nm的時(shí)候，彈性常數(shù)、泊松比和無(wú)量綱化的彎曲剛度的尺度效用趨于零。說(shuō)明當(dāng)納米薄膜和納米構(gòu)件的尺度大于10納米的時(shí)

9、候，可以用傳統(tǒng)的彈性理論來(lái)處理其彈性變形問(wèn)題。當(dāng)納米表面的尺度低于10nm的時(shí)候，納米薄膜的無(wú)量綱化的彎曲剛度存在尺度相關(guān)性。分子動(dòng)力學(xué)模擬的結(jié)果和理論解之間的并不一致。單晶硅納米薄膜的無(wú)量綱化的彎曲剛度差為負(fù)值，并且其絕對(duì)值隨薄膜厚度降低而增加，說(shuō)明在納米尺度下，單晶硅薄膜非均勻變形下與尺度相關(guān)的軟化效應(yīng)。雖然在銅納米薄膜中觀察到了硬化效應(yīng)，但這種硬化效應(yīng)非常不明顯。說(shuō)明用彈性應(yīng)變梯度理論并不適合處理處理納米尺度下的材料和構(gòu)件的非均勻