吸附與解吸附誘致的納米懸臂梁的應(yīng)力模型.pdf

1、硅微加工技術(shù)的進步,使得納機電系統(tǒng)(NEMS)的實現(xiàn)成為可能。隨著器件尺寸的縮小,納米器件的比表面積增加。納米材料表面吸附分子或原子引起的吸附效應(yīng)可用于高性能傳感器,而表面缺陷、表面弛豫和表面重構(gòu)等表面效應(yīng)對器件的影響不能再忽略,而是很大程度上改變了器件原來的特性。 對于納機電器件的研究主要有三種方法：一種是從物理原理上突破,第二種是運用實驗的方法進行求證,第三種是借助于分子動力學(xué)方法及其相關(guān)的軟件進行計算。由于加工條件的不成熟

2、以及實驗環(huán)境的要求苛刻,本文采用第一種結(jié)合第三種方法研究厚度在納米量級的懸臂梁吸附分子后的靜態(tài)彎曲情況以及相應(yīng)的表面應(yīng)力。 由于納米材料本身尺寸的減小使得材料出現(xiàn)了非線性特性,傳統(tǒng)宏觀材料的連續(xù)體理論不再適用,需要建立新的理論和模型來描述納米材料的物理特性。本文應(yīng)用半連續(xù)模型來描述納米材料的性質(zhì),即在厚度方向上由于為納米級尺寸,采用離散理論進行分析；而在長度和寬度方向上,由于尺寸比厚度方向大得多,仍然采用連續(xù)體理論進行分析。這種

3、近似既滿足了既考慮了精度要求,又保證了計算的簡便性,是十分合理的。 對于整個系統(tǒng)來說,吸附過程伴隨著能量的相互轉(zhuǎn)換。整個吸附系統(tǒng)的能量包括吸附質(zhì)分子之間的作用勢能、吸附質(zhì)和吸附劑分子之間的作用勢能以及懸臂梁本身的彎曲勢能。當(dāng)吸附達到穩(wěn)定后,整個系統(tǒng)的能量將達到最小值,這就是所謂的“能量法”。根據(jù)這一轉(zhuǎn)化關(guān)系,可以建立包含懸臂梁彎曲后曲率半徑的關(guān)系式,相應(yīng)的,懸臂梁末端位移以及表面應(yīng)力都可以得到?；舅悸肪褪菑淖罨镜脑娱g作用力

4、出發(fā),運用能量法,從吸附過程中原子勢能和梁的彎曲勢能之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系入手,建立吸附引起的納米懸臂梁的彎曲及應(yīng)力模型。 最后,對所建模型進行驗證。由于現(xiàn)有的加工條件不允許對研究對象進行吸附實驗,故借助于分子動力學(xué)方法對所建模型進行驗證。這里基于以分子動力學(xué)為基礎(chǔ)的商用軟件Material Studio建立和理論研究相對應(yīng)的吸附模型,運用forcite模塊進行模擬,得到吸附穩(wěn)定后懸臂梁的狀態(tài),讀取需要的數(shù)據(jù),進行數(shù)據(jù)處理得到最終結(jié)果,