有限元結合納米壓痕法確定壓電納米材料的彈性常數.pdf

1、因具有優(yōu)異的力電耦合性能，壓電納米帶和壓電薄膜廣泛應用于微電子器件領域。它們常常以沉積在基底表面的形式存在，其厚度在幾個納米到微米量級。壓電納米帶和壓電薄膜的力學性能對器件的工作效率有著重要的影響。因此，表征壓電納米帶和壓電薄膜的力學性能就顯得尤為重要。納米壓痕技術因具有高靈便性、高精確性及對樣品尺寸要求小的特點，已經成為表征納米材料力學性能的有效方法。但是，如果壓痕過程受到基底材料的影響，那么實驗結果并不能反映出被測材料的真實力學性能

2、。在本文中，考慮基底效應的影響，研究壓電納米帶和壓電薄膜的彈性力學性能。首先，以權平均方程作為補充方程，結合納米壓痕和有限元法，確定了壓電納米帶的彈性常數。其次，對于壓電薄膜/絕緣彈性基體系，建立了壓痕載荷與材料性能參數的關系。最后，基于壓痕載荷與材料性能參數的關系為補充方程，結合納米壓痕和有限元法，確定了壓電薄膜的彈性常數。本文的主要研究內容分為三個部分：
　　(1)以權平均方程作為補充方程，結合納米壓痕和有限元法，確定橫觀各向

3、同性壓電納米帶的彈性常數。在正向分析過程中，分別用有限元軟件的純力學模式和壓電模式模擬壓電納米帶/基底體系的壓痕實驗，得到最大加載力和加載曲線指數與膜/基體系的彈性常數之間無量綱方程的具體形式。在反向分析過程中，對沉積在硅基底上的ZnS納米帶進行納米壓痕實驗，得到實驗壓痕曲線。將由實驗壓痕曲線得到的實驗最大加載力和實驗加載曲線指數及相關實驗參數代入無量綱方程和補充方程中，確定了ZnS納米帶的彈性常數。
　　(2)對于壓電薄膜/絕緣

4、彈性基底體系的納米壓痕實驗，提出了一種壓痕載荷響應理論。該理論考慮了絕緣壓頭作用下膜/基體系的位移邊界條件、電學邊界條件及界面連續(xù)性條件，并得到了壓痕載荷與壓電薄膜的彈性常數、壓電系數及介電常數的關系式。另外，對膜/基體系的壓痕響應進行無量綱分析，確立了最大加載力和加載曲線指數與膜/基體系的彈性常數之間的無量綱方程。聯立無量綱方程和壓痕載荷響應理論所確立的關系式組成方程組，用于求解壓電薄膜的彈性常數。
　　(3)基于壓電薄膜/絕緣

5、彈性基底體系的壓痕載荷響應理論，結合納米壓痕和有限元法，確定橫觀各向同性壓電薄膜材料的彈性常數。在正向分析過程中，考慮壓電薄膜的壓電效應，通過有限元仿真模擬膜/基體系的壓痕實驗，得到最大加載力和加載曲線指數與膜/基體系的彈性常數之間無量綱方程的具體形式。在反向分析過程中，分別對生長在硅基底上的ZnO薄膜和0.95Na0.5Bi0.5TiO3-0.05K0.5Bi0.5TiO3(BNKT)薄膜進行納米壓痕實驗，得到實驗壓痕曲線。將由實驗壓