纳米薄膜弹性模量的尺度效应及其物理机制

纳/微米厚度薄膜的力学性能在以显微电子器件为代表的微纳工程应用中起着十分重要的作用。本项目研究纳米薄膜杨氏模量对薄膜厚度的依赖性及其内禀物理机制。基于杨氏模量的物理定义，即模量由晶体原子间结合能（键能）及原子间距（键长）决定，通过推导纳米晶体键能与键长的演化方程，建立薄膜杨氏模量的尺度依赖模型。由于键能由晶体总的原子数、内聚能及原子配位数决定，考虑到薄膜的比表面积较大，因此其键能与表面能和表面原子的配位缺失等相关；本项目试图通过考虑内聚能与表面能的关系，推导出薄膜键能的演化方程。并根据Laplace压强公式及Hooker法则，基于表面应力的Gibbs自由能定义及其与表面能的关系等，得到晶体本征表面应力的热力学表达式，进一步推导出键长的演化函数。最后根据键能与键长的物理演化方程，推导出薄膜杨氏模量尺度效应的解析模型。同时对不同厚度薄膜的杨氏模量进行数值模拟与实验测量，验证理论预测。