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(dòng)力學(xué)模擬.pdf

1、隨著微加工工藝的不斷進(jìn)步，微電子機(jī)械器件的尺寸進(jìn)一步縮小至亞微米甚至納米尺度已成為現(xiàn)實(shí)，從而使得研究進(jìn)入了全新的NEMS領(lǐng)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(dòng)進(jìn)入非線性區(qū)域，這時(shí)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(shù)，只能依靠實(shí)驗(yàn)提取，缺乏準(zhǔn)確性。本文以彈性理論和材料力學(xué)為基礎(chǔ)，從納米梁振動(dòng)的受力分析著手，建立了納米梁橫向振動(dòng)的非線性物理模型。模型考慮了由于梁的橫向彎曲導(dǎo)致的軸向伸長(zhǎng)和橫向振動(dòng)位移之間的非線性關(guān)系，從模型中直接給出了非線性的來源。分析結(jié)果與已有的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)非常吻合。 進(jìn)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(yīng)增強(qiáng)，尤其是材料的表面重構(gòu)和表面弛豫帶來的對(duì)材料特性的影響越來越顯著。在建立非線性

3、模型中，我們?nèi)匀徊捎玫氖求w材料的楊氏模量，這勢(shì)必帶來很大的誤差。本文利用分子動(dòng)力學(xué)模擬方法和量子物理從頭算法，對(duì)單晶硅<100>表面的重構(gòu)和弛豫進(jìn)行模擬分析。模擬過程中，采用分子動(dòng)力學(xué)模擬方法，對(duì)<100>面進(jìn)行2×1Dimer’重構(gòu)的方式(這種重構(gòu)已被廣泛采用，被驗(yàn)證是有效的)，隨后采用量子力學(xué)從頭算法中的平面波贗勢(shì)法計(jì)算材料在<100>方向的楊氏模量。作為驗(yàn)證，利用平面波贗勢(shì)方法對(duì)體材料的楊氏模量進(jìn)行模擬，結(jié)果與已有文獻(xiàn)非常接近。最