納米梁的非線性行為研究及單晶硅納米薄膜楊氏模量的分子動力學模擬.pdf

1、隨著微加工工藝的不斷進步，微電子機械器件的尺寸進一步縮小至亞微米甚至納米尺度已成為現實，從而使得研究進入了全新的NEMS領域。然而研究NEMS的理論不能像制作工藝一樣依托于分析MEMS的宏觀線性理論，尺寸的減小，比表面積的增大都給分析納米尺寸的器件帶來了全新的挑戰(zhàn)。 研究表明納米器件由于尺寸的縮小，利用外加載荷很容易使得納米梁的橫向振動進入非線性區(qū)域，這時宏觀線性理論不再適用，而傳統(tǒng)的非線性模型——Duffing方程也缺乏模型參

2、數，只能依靠實驗提取，缺乏準確性。本文以彈性理論和材料力學為基礎，從納米梁振動的受力分析著手，建立了納米梁橫向振動的非線性物理模型。模型考慮了由于梁的橫向彎曲導致的軸向伸長和橫向振動位移之間的非線性關系，從模型中直接給出了非線性的來源。分析結果與已有的實驗數據非常吻合。 進一步的研究表明，NEMS器件由于尺寸的縮小，比表面積的增大，使得材料表面效應增強，尤其是材料的表面重構和表面弛豫帶來的對材料特性的影響越來越顯著。在建立非線性

3、模型中，我們仍然采用的是體材料的楊氏模量，這勢必帶來很大的誤差。本文利用分子動力學模擬方法和量子物理從頭算法，對單晶硅<100>表面的重構和弛豫進行模擬分析。模擬過程中，采用分子動力學模擬方法，對<100>面進行2×1Dimer’重構的方式(這種重構已被廣泛采用，被驗證是有效的)，隨后采用量子力學從頭算法中的平面波贗勢法計算材料在<100>方向的楊氏模量。作為驗證，利用平面波贗勢方法對體材料的楊氏模量進行模擬，結果與已有文獻非常接近。最