分離式擬質(zhì)點方法的研究及納米壓痕多尺度模擬.pdf

1、隨著近幾十年大規(guī)模集成電路技術和納米技術的迅猛發(fā)展,特別是當電路的特征寬度降低到納米級之后,通過對各類電子部件壓痕特性的分析以揭示其納米尺度下的力學特性已成為當今應用研究的關注點之一。另一方面,諸如金在室溫下可變?yōu)橐簯B(tài)、絕緣體硅能變成導體等這些新穎的材料特性也強烈地激發(fā)著人們對納米尺度下各類物理現(xiàn)象進行不斷探索的熱情。而所有這些問題的解決都離不開多尺度分析方法的發(fā)展與完善。尤其是跨原子/連續(xù)介質(zhì)多尺度分析方法的研究在其中占據(jù)著重要地位。

2、但目前常用的多尺度分析方法在連續(xù)介質(zhì)區(qū)域一般采用有限元方法來加以模擬計算,這一處理方法容易在原子尺度和有限元尺度的邊界處產(chǎn)生如“鬼力”等各類虛假的物理現(xiàn)象,從而導致兩個尺度間的物理量并不能光滑無礙地相互傳遞。同時在有限元的某些區(qū)域,有限元節(jié)點間距幾乎與原子間距相等。這又將消耗大量的存儲空間和計算時間。最近幾年,有研究者將連續(xù)介質(zhì)尺度內(nèi)的模型離散化,采用質(zhì)點系統(tǒng)來代替以往的有限元系統(tǒng),進而發(fā)展出一類被稱之為原子/質(zhì)點多尺度模擬方法。該類方

3、法以其獨特的幾何構造和清晰的物理概念吸引著人們對其不斷進行探索和完善。本論文在已有的原子/質(zhì)點多尺度分析方法的基礎上,從計算質(zhì)點位置信息和受力信息的角度作為切入點,圍繞原子與質(zhì)點多尺度模擬方法的建立和應用等問題開展了以下幾方面的研究:
　　 1.根據(jù)原子/質(zhì)點模型的基本原理,建立了與面心立方晶胞相對應的新型二級擬質(zhì)點三維空間幾何模型,使得擬質(zhì)點的空間位置分布更加符合材料的實際特點。并推導出該擬質(zhì)點幾何模型與面心立方晶胞之間的定量

4、數(shù)值關系。同時在原子系統(tǒng)和擬質(zhì)點系統(tǒng)的界面處分別構造出虛擬的原子區(qū)域和擬質(zhì)點區(qū)域,從而將自然邊界條件引入到分離式擬質(zhì)點多尺度分析模型中。因此可以保證系統(tǒng)的位移和應力等物理量能無礙地在原子系統(tǒng)區(qū)和擬質(zhì)點系統(tǒng)區(qū)之間互相傳遞。
　　 2.由平均加速度方法求解出此時的擬質(zhì)點系統(tǒng)勢能函數(shù)的參數(shù),并將其應用于對擬質(zhì)點的加速度、速度和位置等信息的計算中;基于能量守恒定律求解出擬質(zhì)點系統(tǒng)另一組的勢能函數(shù)參數(shù),并將其應用于對各個擬質(zhì)點系統(tǒng)受力信息

5、的計算中。進而繞過牛頓第二定律,使擬質(zhì)點的位置和受力等物理量與實際原子系統(tǒng)的物理信息保持一致。
　　 3.以單晶銅納米絲模型為例,對比分析分離式擬質(zhì)點多尺度方法、廣義質(zhì)點多尺度方法以及分子動力學方法在不同加載速率條件下模擬實驗的結果,以驗證分離式擬質(zhì)點多尺度分析方法的正確性。
　　 4.采用分離式擬質(zhì)點多尺度分析方法對含表面缺陷的單晶銅薄膜納米壓痕進行了模擬研究。分別討論了缺陷與壓頭的距離取四種不同數(shù)值時,金屬薄膜受壓荷

6、載與壓頭位移之間的變化規(guī)律。通過對模型x位移分布圖以及Mises局部剪應變不變量分布圖的分析比較,揭示了缺陷對材料內(nèi)部原子微觀結構的影響規(guī)律。并進一步計算和討論了表面缺陷對材料內(nèi)部Peierls應力的影響效果。
　　 5.應用本論文提出的新型多尺度分析方法分別對金屬銅、鋁和銀的納米壓痕尺寸效應進行了模擬分析。根據(jù)對模擬得到的三種金屬材料在四種試件長度和四種壓頭寬度條件下的荷載與位移響應曲線的分析與比較,揭示出材料各個物理參數(shù)對其

7、內(nèi)部位錯形核的作用規(guī)律。繪制出各種情況下壓頭下方材料Mises局部剪切應變不變量分布圖和沿x方向位移的分布圖。從而直觀地體現(xiàn)出壓頭加載過程中,材料內(nèi)部微觀結構的變化細節(jié)。將模擬計算得到的三種金屬材料的硬度值與文獻中的結果進行比較,證明了該多尺度分析方法的合理性。以金屬鋁薄膜納米壓痕為例,詳細地討論了位錯形核時所對應的臨界荷載與壓頭寬度的關系,并將計算得到的數(shù)據(jù)與理論值以及QC方法得到的模擬值比較,進一步驗證了該分離式擬質(zhì)點多尺度分析方法