面向微納電子機械系統(tǒng)應用的微納螺旋生長機理及性質研究.pdf

1、微納材料是MEMS、NEMS的基本構成元件,其制備工藝及性質研究倍受關注。在眾多微納結構中,微納螺旋作為三維材料具有獨特的物理性能,引起了材料、物理、化學等領域研究人員的廣泛興趣。本論文主要集中于探討由自卷曲法制備得到的多層微納螺旋的生長機理,特別關注了邊緣效應對螺旋角小于45°的多層密排微納螺旋幾何形貌的影響；在微納螺旋性質研究方面,對微納螺旋機械性質中的超彈性作了深層次研究。
　　 在各種微納螺旋制備方法中,可控性最好的方法

2、是結合“自上而下”和“自下而上”手段的所謂自卷曲法。利用該方法可以制備得到螺旋角小于45°的密排多層微納螺旋,這種螺旋材料有足夠的形變空間來增加磁通量和彈性,因而在MEMS、NEMS應用更為廣泛。實驗證實密排螺旋形成是由于納米帶邊緣釋放初應力產生邊緣效應,從而引入了一個額外的力矩。然而邊緣效應機理還不是很明確,雖然現(xiàn)有理論可以估算單軸應力釋放情況下微納螺旋的半徑和應力分量,但是無法描述雙軸力矩作用下應力引入的自卷曲機制,及形成螺旋的幾何

3、。因此,我們借助Cosserat曲線模型建立一全面理論,從雙軸力矩角度詳細分析多層納米薄膜在應力驅動下各向異性卷曲成微納螺旋的理論機制。我們計算得到微納螺旋幾何量與軸向拉力和力矩的關系。當螺旋幾何參量已知時,該關系提供了一個研究力和力矩的方法。通過觀察多層卷曲納米結構的SEM圖,這有助于我們理解由釋放應力而引入的雙軸力矩機制。
　　 首先我們研究了邊緣效應可忽略的情況,此時納米帶卷曲成螺旋角大于、等于45°的螺旋。利用p型SiG

4、e/Si我們計算得到螺旋幾何參量與實驗測量值相符,并且認為由晶格失配力產生的兩個彎曲力矩還不足以大到可以使納米帶偏離最易卷曲方向卷曲,所以形成螺旋的幾何與只考慮單軸力矩情況幾乎一樣,同很多實驗觀測一致。其次我們著重研究了邊緣效應,這時薄膜偏離優(yōu)先卷曲方向卷曲成螺旋角小于45°的螺旋。我們通過分析SiGe/Si和SiGe/Si/Cr納米螺旋實驗結果驗證得到邊緣效應作用機制:邊緣效應力F’垂直于優(yōu)先卷曲方向的分量與該方向的晶格失配力一起產生

5、-扭力矩轉動納米帶；而邊緣效應力F’沿優(yōu)先卷曲方向的分量阻止該方向的晶格失配力使納米帶沿<100>方向卷曲,從而產生-彎曲力矩轉動納米帶。并且邊緣效應力F’隨Cr層厚度增加而增加,其大小將直接影響納米環(huán)直徑:邊緣效應較大納米環(huán)直徑隨帶寬減小而增大,邊緣效應較小納米環(huán)直徑隨帶寬減小而減小。而納米帶卷曲成螺旋過程中,會拉伸原長的千分之幾,所以當螺旋應用于MEMS、NEMS時,其伸長量不可忽略。
　　 因此在微納螺旋和納米環(huán)生長方面,

6、我們的工作能夠指導人們在實驗上獲得更好的自卷曲法生長技術。我們不僅從理論上詳細解釋了邊緣效應作用機理,而且最重要的是根據(jù)我們的模型可以確定任意螺旋角的納米螺旋和納米環(huán)的幾何形貌,從而實驗上就可以選擇合適的材料來設計這些結構形貌,以實現(xiàn)可控生長復雜多層異質納米螺旋和納米環(huán)的目的。
　　 雖然螺旋結構被認為用途廣泛,但是在掌握它們物理性質之前就斷言其潛在應用還為時過早,所以我們研究了微納螺旋的機械性質。微納螺旋在軸向高負載的作用下幾

7、乎可以被拉伸成直線,當撤去負載時,螺旋恢復原形,微納螺旋這種性質被稱為超彈性,并受到人們廣泛關注。然而現(xiàn)有理論無論是經典彈性理論還是被普遍用來研究彈性細桿的基爾霍夫模型都不能全面而精確的描述螺旋超彈性。因此我們建立了一套模型將Cosserat曲線理論應用到微納螺旋超彈性。我們假設有一個N匝均勻螺旋H1被-軸向拉力F拉伸為螺旋HF。我們計算得到螺旋在軸向外力或外力矩作用下,螺旋的幾何量以及胡克常量的變化。并且如果假設材料沒有拉伸和剪切形變

8、,我們的模型將簡化為基爾霍夫模型。
　　 我們首先通過兩種典型的微納螺旋證明我們的模型能夠很好解釋微納螺旋負載實驗。其次我們精確估算了拉斷螺旋的力Fbreak,即超彈性耐受力,而由基爾霍夫模型計算得到Fbreak比實際小很多。在得到Fbreak后我們重現(xiàn)并解釋了微納螺旋在整個拉伸和拉斷區(qū)域內負載力與螺旋拉伸關系。我們的模型可以克服傳統(tǒng)基爾霍夫模型的弊端,從而完整描述超彈性在整個拉伸和拉斷區(qū)域的性質。我們模型的獨特之處在于可描述螺

9、旋線拉伸量,我們計算得到當螺旋被拉到極限時,伸長量與原長可比,因此在螺旋超彈性高應力區(qū)域,螺旋線拉伸量及其重要,不能忽略。
　　 在機械性質部分,我們最后研究了螺旋胡克常量和力矩隨拉伸的變化。在螺旋各種機械物理量中,胡克常量可以直接并且精確描述螺旋超彈性。在螺旋線性彈性區(qū)域,胡克常量幾乎不變,其平均值與實驗測量值相符。繼續(xù)拉伸拉緊的螺旋直到拉斷,胡克常量平緩上升進入飽和值,即螺旋線彈性常數(shù)。力矩是超彈性另一重要物理量,我們分析得