吸附與解吸附誘致的納米懸臂梁的應力模型.pdf

1、硅微加工技術的進步,使得納機電系統(tǒng)(NEMS)的實現(xiàn)成為可能。隨著器件尺寸的縮小,納米器件的比表面積增加。納米材料表面吸附分子或原子引起的吸附效應可用于高性能傳感器,而表面缺陷、表面弛豫和表面重構等表面效應對器件的影響不能再忽略,而是很大程度上改變了器件原來的特性。 對于納機電器件的研究主要有三種方法：一種是從物理原理上突破,第二種是運用實驗的方法進行求證,第三種是借助于分子動力學方法及其相關的軟件進行計算。由于加工條件的不成熟

2、以及實驗環(huán)境的要求苛刻,本文采用第一種結合第三種方法研究厚度在納米量級的懸臂梁吸附分子后的靜態(tài)彎曲情況以及相應的表面應力。 由于納米材料本身尺寸的減小使得材料出現(xiàn)了非線性特性,傳統(tǒng)宏觀材料的連續(xù)體理論不再適用,需要建立新的理論和模型來描述納米材料的物理特性。本文應用半連續(xù)模型來描述納米材料的性質,即在厚度方向上由于為納米級尺寸,采用離散理論進行分析；而在長度和寬度方向上,由于尺寸比厚度方向大得多,仍然采用連續(xù)體理論進行分析。這種

3、近似既滿足了既考慮了精度要求,又保證了計算的簡便性,是十分合理的。 對于整個系統(tǒng)來說,吸附過程伴隨著能量的相互轉換。整個吸附系統(tǒng)的能量包括吸附質分子之間的作用勢能、吸附質和吸附劑分子之間的作用勢能以及懸臂梁本身的彎曲勢能。當吸附達到穩(wěn)定后,整個系統(tǒng)的能量將達到最小值,這就是所謂的“能量法”。根據(jù)這一轉化關系,可以建立包含懸臂梁彎曲后曲率半徑的關系式,相應的,懸臂梁末端位移以及表面應力都可以得到?；舅悸肪褪菑淖罨镜脑娱g作用力

4、出發(fā),運用能量法,從吸附過程中原子勢能和梁的彎曲勢能之間的轉化關系入手,建立吸附引起的納米懸臂梁的彎曲及應力模型。 最后,對所建模型進行驗證。由于現(xiàn)有的加工條件不允許對研究對象進行吸附實驗,故借助于分子動力學方法對所建模型進行驗證。這里基于以分子動力學為基礎的商用軟件Material Studio建立和理論研究相對應的吸附模型,運用forcite模塊進行模擬,得到吸附穩(wěn)定后懸臂梁的狀態(tài),讀取需要的數(shù)據(jù),進行數(shù)據(jù)處理得到最終結果,