本文選題：NEMS + 多尺度��； 參考：《東南大學(xué)》2015年博士論文

【摘要】：納電子機(jī)械系統(tǒng)(NEMS)是納米科技的一個分支。由于納米技術(shù)的特征,納電子機(jī)械系統(tǒng)相較于微電子機(jī)械系統(tǒng)有以下幾個主要的優(yōu)點：品質(zhì)因數(shù)高,頻率高,功率低以及尺寸和質(zhì)量很小,因而納米懸臂梁在傳感器的應(yīng)用方面有著很好的發(fā)展前景,得到了國內(nèi)外的廣泛重視。單晶硅是微電子機(jī)械系統(tǒng)中的重要材料,硅具有優(yōu)質(zhì)的力學(xué)特性和熱學(xué)特性,并且具有極好的集成電路制造兼容性,因而以硅為襯底的納米懸臂梁是納電子機(jī)械系統(tǒng)中最具有代表性的懸臂梁之一。當(dāng)硅懸臂梁表面吸附粒子時,吸附效應(yīng)會使得硅懸臂梁本身的特性發(fā)生改變。當(dāng)硅懸臂梁在宏觀尺度范疇內(nèi)時,可以用經(jīng)典的連續(xù)介質(zhì)理論來進(jìn)行特性分析,而當(dāng)硅懸臂梁在納米尺度范疇內(nèi)時,連續(xù)介質(zhì)理論不再適用,從頭算方法和第一原理模型的計算量大,就現(xiàn)階段而言很難實現(xiàn),因此,建立一種相對簡單精確的理論模型是十分必要的。本論文以半連續(xù)體理論為基礎(chǔ),運用能量法,從基本的粒子間作用力出發(fā),建立了多尺度硅懸臂梁吸附的理論模型。本論文的主要內(nèi)容如下：(1)發(fā)展了水分子吸附多尺度硅懸臂梁的理論模型。首次考慮了本征氧化層對多尺度硅懸臂梁特性的影響,以半連續(xù)體理論為基礎(chǔ),運用能量法,從基本的粒子間作用力出發(fā),為多尺度硅懸臂梁的特性分析提供了簡單有效的理論基礎(chǔ)。運用分子動力學(xué)模擬的方法對多尺度硅懸臂梁吸附的理論模型進(jìn)行分析,將理論值和模擬值相比較,驗證了該理論模型的正確性。(2)建立了不同分子吸附多尺度硅懸臂梁的理論模型,首次研究了吸附分子不同對多尺度硅懸臂梁特性的影響。建立了甲烷分子吸附多尺度硅懸臂梁的理論模型,并和水分子吸附多尺度硅懸臂梁的理論模型進(jìn)行了比較,進(jìn)一步探索了不同分子吸附多尺度硅懸臂梁的理論模型。(3)建立了吸附層不同時多尺度硅懸臂梁的理論模型,討論了吸附層不同對多尺度硅懸臂梁特性的影響。建立了金吸附層多尺度硅懸臂梁的理論模型,并和鋁吸附層多尺度硅懸臂梁的理論模型進(jìn)行了比較,進(jìn)一步探索了吸附層不同時多尺度硅懸臂梁的理論模型。(4)考慮了不同的吸附分子和吸附層對多尺度硅懸臂梁特性的影響,建立了多尺度硅懸臂梁吸附的理論模型,并討論了硅層厚度和本征氧化層厚度對多尺度硅懸臂梁特性的影響。本論文建立的理論模型可以得到多尺度硅懸臂梁吸附分子后的曲率半徑、自由端位移量、表面應(yīng)力等物理參數(shù),運用分子動力學(xué)模擬的結(jié)果驗證了本文模型的正確性。本文建立的多尺度硅懸臂梁吸附的理論模型對硅基NEMS的研究和設(shè)計有一定的參考價值。
[Abstract]:Nanoelectronic mechanical system (NEMS) is a branch of nanotechnology. Because of the characteristics of nanotechnology, nanoelectromechanical systems have the following main advantages over microelectromechanical systems: high quality factor, high frequency, low power, and small size and mass. Therefore, nano-cantilever beam has a good prospect in the application of sensors, and has been widely paid attention to at home and abroad. Monocrystalline silicon is an important material in microelectromechanical system. Silicon has excellent mechanical and thermal properties and excellent compatibility of integrated circuit manufacturing. Therefore, the nanocrystalline cantilever beam with silicon substrate is one of the most representative cantilever beams in nanoelectromechanical systems. When the particles are adsorbed on the surface of the silicon cantilever beam, the adsorption effect will change the characteristics of the silicon cantilever beam itself. When the silicon cantilever beam is in the macro scale, it can be analyzed by the classical continuum medium theory, but when the silicon cantilever beam is in the nanometer scale, the continuum medium theory is no longer applicable. The ab initio method and the first principle model have a large amount of computation, so it is very difficult to realize at the present stage. Therefore, it is necessary to establish a relatively simple and accurate theoretical model. Based on the semicontinuous theory and the energy method, a theoretical model for the adsorption of silicon cantilever beams with multi-scale is established based on the basic interparticle forces. The main contents of this thesis are as follows: (1) the theoretical model of multi-scale silicon cantilever beam adsorbed by water molecules is developed. The effect of intrinsic oxide layer on the characteristics of multi-scale silicon cantilever beam is considered for the first time. Based on the semi-continuum theory, the energy method is used to analyze the basic interparticle force. It provides a simple and effective theoretical basis for the characteristic analysis of multiscale silicon cantilever beam. The theoretical model of multi-scale silicon cantilever adsorption was analyzed by molecular dynamics simulation, and the theoretical value was compared with the simulated value. The validity of the theoretical model is verified. (2) the theoretical model of different molecular adsorbed multi-scale silicon cantilever beam is established, and the influence of different adsorbed molecules on the characteristics of multi-scale silicon cantilever beam is studied for the first time. The theoretical model of multi-scale silicon cantilever for methane adsorption was established and compared with that for water molecule adsorption. The theoretical model of multi-scale silicon cantilever beam adsorbed by different molecules is further explored. (3) the theoretical model of multi-scale silicon cantilever beam with different adsorption layers is established, and the influence of different adsorption layers on the characteristics of multi-scale silicon cantilever beam is discussed. The theoretical model of gold adsorption layer multi-scale silicon cantilever beam is established and compared with that of aluminum adsorption layer multi-scale silicon cantilever beam. The theoretical model of multiscale silicon cantilever beam with different adsorption layers is further explored. (4) considering the influence of different adsorption molecules and adsorption layers on the characteristics of multi-scale silicon cantilever beam, a theoretical model of multi-scale silicon cantilever beam adsorption is established. The effects of the thickness of silicon layer and the thickness of intrinsic oxide layer on the characteristics of multiscale silicon cantilever beam are discussed. The theoretical model established in this paper can obtain the physical parameters such as radius of curvature, displacement at free end, surface stress and so on. The results of molecular dynamics simulation verify the correctness of the model. The theoretical model of multi-scale silicon cantilever beam adsorption has some reference value for the research and design of silicon based NEMS.
【學(xué)位授予單位】：東南大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TB383.1;O647.3

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本文編號：2091087