單晶硅納米梁力電及其耦合特性理論研究.pdf

1、納電子機械系統(tǒng)（NEMS）器件具有高達GHz的諧振頻率、105的品質(zhì)因數(shù)、10-24牛頓的超高力靈敏度、10-17瓦的超低功率等特性，故NEMS納米梁在諧振器、混頻器、濾波器、生物化學(xué)傳感器等方面有廣闊的應(yīng)用前景，是目前國際研究的熱點課題之一，受到了廣泛重視。單晶硅是集成電路的主要材料，硅微加工技術(shù)和設(shè)備先進、成熟，有強大的工業(yè)基礎(chǔ)；同時硅材料具有較好彈性、抗疲勞等特點，因而硅納米梁是NEMS十分基礎(chǔ)又具有代表性的納米梁之一，它的力電特

2、性及物理參數(shù)也成為了NEMS研究和應(yīng)用的關(guān)鍵?？紤]到面向應(yīng)用的硅納米梁所含原子數(shù)往往過于巨大且行為復(fù)雜，遠遠超過了現(xiàn)有計算機基于第一性原理、分子動力學(xué)等分析手段進行模擬研究的能力范圍，同時，連續(xù)體介質(zhì)理論又無法準確描述含有新效應(yīng)（量子尺寸效應(yīng)和表面效應(yīng)等）的硅納米梁的力電特性，因此，本論文從半連續(xù)模型出發(fā)，結(jié)合離散化的價帶結(jié)構(gòu)模型，對硅納米梁的力學(xué)、電學(xué)以及力電耦合特性進行了研究，取得的主要成果如下： （1）發(fā)展了跨微納尺度單晶

3、硅梁的半連續(xù)原子晶格力學(xué)模型，該解析模型不僅能夠進行原子級的描述，而且保留了連續(xù)體理論的計算效率。首次從理論上綜合研究了表面弛豫、表面應(yīng)力、晶格溫度以及晶向?qū)杓{米梁尺寸相關(guān)的彈性常數(shù)與楊氏模量的影響。研究表明，當硅納米梁的厚度減小到十幾個納米時，表面效應(yīng)起著不容忽視的作用，表面效應(yīng)可能導(dǎo)致硅納米梁變軟或變硬，該計算結(jié)果很好地解釋了一些文獻中的實驗現(xiàn)象。 （2）建立了大形變情況下靜電致動的跨微納尺度單晶硅梁的半連續(xù)吸合電壓模型，

4、該模型不僅包含了邊緣場效應(yīng)與殘余應(yīng)力的影響，而且考慮了范德瓦耳斯力的作用?；趧幽芘c勢能相互轉(zhuǎn)化過程的能量守恒原理，提出了描述大形變情況下跨微納尺度單晶硅梁基波頻率的半連續(xù)解析模型并探討了撓度極值對硅納米梁基波頻率的影響。在上述兩個模型中，首次考慮了尺寸相關(guān)的楊氏模量，從而研究了表面弛豫、表面應(yīng)力、晶格溫度對硅納米梁吸合電壓與基波頻率的影響。 （3）結(jié)合形變勢理論，采用k-p微擾方法，建立了描述常見晶向應(yīng)變硅納米梁價帶結(jié)構(gòu)的數(shù)值

5、模型，進而運用勢壘頂彈道輸運模型研究了晶向與單軸應(yīng)力對P型硅納米梁（溝道）晶體管電學(xué)特性的影響，并首次將尺寸相關(guān)的彈性常數(shù)耦合到離散化的價帶結(jié)構(gòu)模型，從而研究了力學(xué)參數(shù)變化對P型硅納米梁彈道晶體管輸運電流所帶來的影響。 （4）基于硅納米梁壓阻特性與其能帶結(jié)構(gòu)的相關(guān)性，提出了修正的壓阻系數(shù)求解公式并定量分析了尺寸、雜質(zhì)濃度與溫度對P型硅納米梁壓阻系數(shù)的影響。從自治求解薛定諤方程與泊松方程出發(fā)，提出了自洽的壓阻系數(shù)計算方法并研究了尺

6、寸與溫度對硅納米梁壓阻系數(shù)的影響。首次將尺寸與溫度相關(guān)的彈性常數(shù)耦合到自洽價帶結(jié)構(gòu)模型，從而研究了彈性常數(shù)變化對硅納米梁壓阻特性所帶來的影響。研究表明，溫度相關(guān)的彈性常數(shù)修正可以忽略，但尺寸相關(guān)的彈性常數(shù)明顯改變了硅納米梁的壓阻系數(shù)，因此，在研究硅納米梁的壓阻特性時，應(yīng)該考慮尺寸相關(guān)的彈性常數(shù)所帶來的影響。 本文建立的半連續(xù)模型與價帶結(jié)構(gòu)模型可以得到多尺度單晶硅梁的彈性常數(shù)、楊氏模量、吸合電壓、基波頻率、壓阻系數(shù)等物理參數(shù)，利用