基于Keating勢(shì)模型的-111-與-112-硅納米梁高頻振蕩特性研究.pdf

1、近年來(lái)硅微納制造技術(shù)發(fā)展迅速，以硅微米梁為重要單元的微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)已經(jīng)越來(lái)越不能滿足人們的生產(chǎn)和生活需要，而以硅納米梁為重要單元的納電子機(jī)械系統(tǒng)(NEMS)器件具有遠(yuǎn)超MEMS的優(yōu)秀性能，如振動(dòng)頻率達(dá)到GHz，品質(zhì)因數(shù)能夠達(dá)到105、功率低至10-17瓦等等。除此之外，硅納米梁還擁有不同尋常的熱導(dǎo)率、場(chǎng)發(fā)射等物理性質(zhì)。所以硅納米梁在光電子器件、新能源利用方面以及諧振器、混頻器、濾波器、生物化學(xué)傳感器等方面都有著極大的發(fā)展空間

2、。然而，對(duì)于硅納米梁的研究仍然存在很多難題。當(dāng)硅梁尺寸進(jìn)入納米級(jí)時(shí)，原來(lái)不需要過(guò)多考慮的尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)和量子效應(yīng)對(duì)硅材料的影響變得尤其顯著，硅納米梁所包含的原子的行為變得更加復(fù)雜。雖然目前為止已能夠?qū)杓{米梁進(jìn)行軟件仿真和實(shí)物制造，并從研究中得到了一些硅納米梁的特性，但仍然需要準(zhǔn)確的理論模型來(lái)描述硅納米梁的諧振頻率特性。另一方面，固有的連續(xù)體理論模型不能精確地得到硅納米梁的頻率特性。因此，人們急需建立新的理論模型來(lái)準(zhǔn)確描述硅納米梁的

3、頻率特性。
　　本文的主要工作有:
　　(1)基于Keating勢(shì)能模型，在硅納米梁的厚度和寬度方向采用了半連續(xù)體模型，建立了<111>、<112>方向的理想情況下硅納米梁頻率理論計(jì)算模型。該理論計(jì)算模型進(jìn)一步發(fā)展了硅梁的半連續(xù)體模型，描述了硅原子行為，大大簡(jiǎn)化了計(jì)算過(guò)程，避免了運(yùn)用仿真軟件所消耗的冗長(zhǎng)的計(jì)算時(shí)間，保證了很高的計(jì)算精度和計(jì)算效率。
　　(2)針對(duì)<111>方向不同的截面如正三角形、菱形、正六邊形分別建立

4、了頻率特性理論計(jì)算模型，并比較得出了不同截面對(duì)硅納米梁頻率特性的影響。
　　(3)從理論上綜合研究了不同晶向的硅納米梁的長(zhǎng)度、寬度、厚度、邊長(zhǎng)以及表面弛豫、表面重構(gòu)、不同截面形狀對(duì)硅納米梁頻率特性的影響。
　　(4)將理論計(jì)算結(jié)果和分子動(dòng)力學(xué)軟件的仿真結(jié)果對(duì)照，發(fā)現(xiàn)仿真結(jié)果和計(jì)算結(jié)果變化趨勢(shì)一致。
　　從獲得的理論模型計(jì)算結(jié)果可知，對(duì)于<111>和<112>方向的硅納米梁，其頻率與長(zhǎng)度的平方成反比趨勢(shì)，并且頻率在寬度、

5、厚度以及邊長(zhǎng)分別增大時(shí)也會(huì)有不同程度的增大。對(duì)于<111>方向三種截面（三角形截面、菱形截面和六邊形截面），其表面積與體積之比(SVR)不相同，其頻率也不相同。表面弛豫系數(shù)和表面重構(gòu)效應(yīng)對(duì)硅納米梁的頻率特性有著較大的影響。
　　本文建立的基于Keating勢(shì)能模型的硅納米梁半連續(xù)體模型可以得到不同尺度的硅納米梁頻率特性，并且分子動(dòng)力學(xué)軟件的仿真結(jié)果和相關(guān)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果也驗(yàn)證了理論計(jì)算模型的正確性。由于本文研究的硅納米梁可以作為NEMS