多尺度單晶硅膜的力學特性理論研究.pdf

1、納電子機械系統(tǒng)(NEMS)是在微電子機械系統(tǒng)(MEMS)基礎上發(fā)展起來的具有納米技術特點的器件和系統(tǒng)。單晶硅作為應用于MEMS和NEMS最廣泛的材料，其物理參數(shù)多年來是最被重視和研究得最廣泛的性質。楊氏模量在宏觀上體現(xiàn)彈性體應力和應變的關系，與MEMS結構受力下的變形、撓度及諧振頻率等重要特性有最直接的關系。從微觀角度上，楊氏模量體現(xiàn)了單晶硅晶格中原子間化學鍵作用的強弱。因此,硅的楊氏模量是最受關注的NEMS基本參數(shù)之一。實驗發(fā)現(xiàn)在材料

2、的厚度減小到納米量級時，楊氏模量與體材料相比發(fā)生了顯著的變化。因此，建立多尺度硅材料的力學模型是重要的。 研究工作的關鍵在于：(1)建立復雜的、基于原子模型的連續(xù)介質模型，以期通過這一模型對實驗數(shù)據(jù)或模擬結果給出一致的解釋，最終獲得穩(wěn)定可靠的楊氏模最值：(2)由于采用MEMS技術向下延伸制造的NEMS器件中，同時存在從納米尺寸到微米尺寸甚至到毫米外形的多尺度耦合問題，需要建立多尺度下無縫耦合的模型；(3)材料尺度進入納米量級時，

3、表面形貌將對材料的參數(shù)有所影響；(4)為研究NEMS體系，需要建立力、熱耦合的模型。 1.基于半連續(xù)模型建立了多尺度單晶硅膜楊氏模量的解析模型，在模型中通過兩體等效彈簧模型計算體系的形變能。并考慮了加工工藝導致的本征氧化層對楊氏模量的影響，建立了表面有氧化層的硅膜力學模型，對表面氧化層厚度不同的硅膜楊氏模量進行了分析和比較。 2.由考慮兩體相互作用和三體相互作用的Keating形變勢模型出發(fā)，計算了硅膜的形變能，并基于半

4、連續(xù)模型建立了多尺度單晶硅膜楊氏模量的解析模型。并將此模型與由兩體等效彈簧模型出發(fā)得到的結果進行了比較和分析。 3.在基于Keating形變勢模型計算的多尺度單晶硅膜楊氏模量基礎上，根據(jù)表面重構時表面原子結構對理想原子結構的變化，建立了考慮表面重構的多尺度單晶硅膜楊氏模量的解析模型。 4.以溫度對晶格常數(shù)的影響、進而對Keating形變勢模型中的力常數(shù)的影響為基礎，由力常數(shù)變化的非諧Keating模型得到了溫度不同時體系