單晶硅納米線力學(xué)特性的分子動(dòng)力學(xué)研究.pdf

1、隨著當(dāng)今半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，工藝線寬逐漸減小，已經(jīng)從過(guò)去的微米工藝發(fā)展到現(xiàn)在的納米工藝。當(dāng)材料的尺寸進(jìn)入到納米量級(jí)時(shí)，連續(xù)理論在解釋新效應(yīng)下（尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)和量子效應(yīng)）納米材料性質(zhì)時(shí)遇到了瓶頸，于是人們不斷尋求新的手段去研究納米材料。一維硅納米材料受到人們的廣泛關(guān)注，同時(shí)由于這些新效應(yīng)使得其具有獨(dú)特的性質(zhì)，因此硅納米線很可能成為未來(lái)多功能納機(jī)電系統(tǒng)的基本構(gòu)造單元。
　　 目前人們使用各種方法已經(jīng)成功制備出不同尺寸不同截面的硅納

2、米線，并對(duì)其進(jìn)行形貌、結(jié)構(gòu)等表征，取得了很多重要的成果。而理論上如何去解釋這些現(xiàn)象成為擺在人們面前的一個(gè)難題，因?yàn)榧{米尺度下的硅納米線在寬度和厚度方向上不再具有連續(xù)性，因此需要建立新的理論和模型來(lái)描述其物理特性。與此同時(shí)，計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算能力使得模擬成千上萬(wàn)個(gè)原子組成的系統(tǒng)成為可能，與實(shí)驗(yàn)和理論方法相比，該方法具有簡(jiǎn)單、快捷、較好的預(yù)測(cè)性和較佳的準(zhǔn)確性。
　　 本文采用分子動(dòng)力學(xué)軟件Material Studio研究了硅納米線的

3、力學(xué)特性。楊氏模量是材料變形難易程度的表征。在宏觀情況下，它是一個(gè)恒定的量。在納米尺度下，由于比表面積的增大，表面原子所處的環(huán)境與體原子不同，從而導(dǎo)致了材料可能變軟或者變硬。我們研究了理想表面和（2×1）重構(gòu)表面，厚度在1.07nm～3.24nm之間的<100>、<110>、<111>方向的硅納米線，從能量-應(yīng)變曲線中計(jì)算楊氏模量的大小。結(jié)果表明，硅納米線的楊氏模量依賴(lài)于尺寸和表面重構(gòu)。
　　 另外，許多應(yīng)用諸如化學(xué)生物質(zhì)量傳感

4、器、高頻諧振器等都需要精確地獲知硅納米線的諧振頻率以及諧振頻率隨外部環(huán)境的變化量，而基于連續(xù)體理論Euler-Bernoulli梁理論的諧振頻率公式在納米尺寸下是否仍然適用還需要進(jìn)一步的驗(yàn)證。運(yùn)用分子動(dòng)力學(xué)方法去研究不同條件下硅納米線的諧振頻率可以避開(kāi)上面的問(wèn)題。模擬的結(jié)果表明，諧振頻率隨著長(zhǎng)厚比的增大而減小，尺寸效應(yīng)決定了諧振頻率的變化趨勢(shì)，而表面效應(yīng)只會(huì)對(duì)諧振頻率的大小產(chǎn)生影響，同時(shí)與楊氏模量對(duì)溫度的依賴(lài)不同，諧振頻率幾乎不隨溫度而