本文關(guān)鍵詞：基于分子動力學模擬的硅納米線諧振特性研究　出處：《東南大學》2015年碩士論文　論文類型：學位論文

  更多相關(guān)文章： 硅納米線 分子動力學 material studio 諧振特性 表面重構(gòu) 尺寸效應

【摘要】：由于半導體工藝技術(shù)的快速發(fā)展,工藝線寬從微米量級到納米量級逐漸縮小,使得納機電系統(tǒng)的應用更加廣闊,但是在研究方法、制造工藝、實驗設(shè)備等方面也面臨很多問題。當材料的尺度進入納米量級,尺寸效應、表面效應、量子效應對材料性能的影響會更加明顯,這些甚至成為納米材料發(fā)展的瓶頸。如何準確的去描述納米材料的物理特性成為了設(shè)計、制造、優(yōu)化納米器件的關(guān)鍵。硅納米線作為一維硅納米材料的典型代表,除具有半導體所具有的特殊性質(zhì),還顯示出不同于體硅材料的場發(fā)射、熱導率及可見光致發(fā)光等物理性質(zhì),在納米電子器件、光電子器件以及新能源等方面具有巨大的潛在應用價值,因此硅納米線可能成為未來納機電系統(tǒng)構(gòu)建的核心單元。近年來硅納米線的制備工藝有很大發(fā)展,人們可以制造出各個方向、各個截面的硅納米線,并且通過實驗手段探索到了硅納米線的一些性質(zhì),但是在現(xiàn)有的理論基礎(chǔ)上還無法解釋或者表征一些物理特性,其中有一個就是硅納米線的本征諧振頻率。近年來,由于硅納米線在諧振器、振蕩器等器件上有廣泛的運用,使得對硅納米線諧振頻率的研究成為熱點。隨著尺寸的縮小,納米線的頻率從幾個兆的頻率到幾百兆的頻率,最后到現(xiàn)在上GHz的頻率,不禁讓人感到疑惑硅納米線的諧振頻率到底是什么量級,有什么規(guī)律可循呢?本文基于分子動力學的模擬,采用material studio軟件系統(tǒng)地研究了硅納米線的諧振特性。本文總共研究了111、110、112三個方向的硅納米線的諧振頻率,分別考慮硅納米線的晶向、尺寸(長度、邊長、厚度)、表面結(jié)構(gòu)(截面形狀,表面重構(gòu))對其諧振頻率的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)在納米尺度下,由于表面積與體積之比(SVR)的增大,表面的原子與體內(nèi)的原子所處的環(huán)境不同,因此材料的性質(zhì)發(fā)生變化,導致了納米梁的諧振頻率不完全遵守Euler-Bernoulli梁的理論。111、110、112三個方向的硅納米線的諧振頻率近似與其長度的二次方成反比,但是與其截面的邊長沒有明顯關(guān)系,然而邊長的增大必然會導致厚度的增加,因而其諧振頻率會產(chǎn)生輕微的漂移。111方向的三種截面的硅納米線,由于其表面積與體積之比(SVR)不相同,表面效應的影響也不一樣,因此其諧振頻率也不一樣。同樣,不同晶向的硅納米線其表面結(jié)構(gòu)不一樣,則表面效應的影響也不一樣,因此諧振頻率有差異。通過仿真發(fā)現(xiàn),硅納米線的表面重構(gòu)對其諧振頻率有著重大的影響。本論文提出的AFM探針模型,利用分子間的范德瓦爾斯力使硅納米梁發(fā)生振動,這些建模工作對以后的理論研究工作具有一定的借鑒價值,在一定程度上為進一步研究納米線的各種性質(zhì)提供了新的思路。
[Abstract]:Due to the rapid development of semiconductor process technology, the process linewidth from micron to nano-scale gradually shrinks, which makes the application of nano-electromechanical system more extensive, but in the research methods, manufacturing technology. When the scale of the material enters the nanometer order, the size effect, the surface effect, the quantum effect will be more obvious to the material performance. These even become the bottleneck of the development of nanomaterials. How to accurately describe the physical properties of nanomaterials has become the design and manufacture. As a typical representative of one-dimensional silicon nanomaterials, silicon nanowires not only have the special properties of semiconductors, but also show different field emission from bulk silicon materials. Thermal conductivity and visible photoluminescence have great potential applications in nanoelectronic devices, optoelectronic devices and new energy sources. Therefore, silicon nanowires may become the core unit of nanoelectromechanical system construction in the future. In recent years, the preparation process of silicon nanowires has been greatly developed, people can produce silicon nanowires in all directions and sections. Some properties of silicon nanowires have been explored by means of experiments, but some physical properties can not be explained or characterized on the basis of existing theories. One of them is the intrinsic resonance frequency of silicon nanowires. In recent years, silicon nanowires have been widely used in resonators, oscillators and other devices. As the size of the nanowires shrinks, the frequency of nanowires ranges from several megabytes to hundreds of megabytes, and finally to the current frequency of GHz. People can not help wondering what is the order of magnitude of the resonant frequency of silicon nanowires, and what rules can be followed? Based on the simulation of molecular dynamics, the resonant characteristics of silicon nanowires are systematically studied by material studio software. A total of 111,110 has been studied in this paper. The resonant frequencies of the silicon nanowires in three directions are taken into account in the crystal direction, size (length, side length, thickness) and surface structure (section shape) of the silicon nanowires. The effect of surface reconstruction on the resonance frequency. It is found that the surface atoms and the atoms in the body are in different environments at nanometer scale due to the increase of the ratio of surface area to volume (SVR). Therefore, the properties of the materials change, which leads to the resonance frequency of the nanocrystalline beam does not fully comply with the Euler-Bernoulli beam theory. The resonant frequency of 112 silicon nanowires in three directions is approximately inversely proportional to the quadratic power of its length, but it has no obvious relationship with the side length of the section. However, the increase of the side length will inevitably lead to the increase of the thickness. As a result, the resonance frequency of silicon nanowires with three cross sections with slight drift of .111 direction will be slightly different, because the surface area to volume ratio (SVR) is different, the effect of surface effect is also different. Therefore, the resonant frequency is different. Similarly, the surface effect of silicon nanowires with different crystal directions is different, so the resonant frequency is different. The surface reconstruction of silicon nanowires has a great influence on the resonant frequency. In this paper, the AFM probe model is proposed, which uses the van der Waals force between molecules to make the silicon nanoscale beam vibrate. These modeling works have certain reference value to the later theoretical research work, and to some extent provide a new way of thinking for the further study of various properties of nanowires.
【學位授予單位】：東南大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TN304.12;TB383.1

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