掺杂单晶硅纳米结构力学特性的多尺度理论模型及模拟

单晶硅纳米结构，特别是NEMS的制作工艺昂贵且复杂，这也使得其设计不能不更多地借助于计算、模拟、仿真而不是试验来优化设计。现有的实验测定硅纳米结构的模量都是间接的，这就需要建立基于原子模型的连续介质新模型，以期通过这些模型获得稳定可靠的模量值。当结构所包含的原子数较少时，可以通过分子动力学方法来模拟得到相应的特性数值。由于面向实际应用的纳米材料体系和NEMS等体系一般含有远超过现有分子动力学计算能力的原子分子数，因此，就需要建立多尺度（原子-纳米-微米-宏观）解析模型及计算方法。单晶硅实现应用的一个有效方法是掺杂。根据需要掺杂后，掺杂的单晶硅纳米结构相对于本征半导体硅的参数可能会发生非常大的变化。要实现单晶硅纳米结构的应用，需要对掺杂单晶硅纳米结构的静态、动态力学特性进行理论建模和模拟，为今后单晶硅纳米材料以及NEMS的设计、应用以及分析奠定基础，起到一定的参考价值。

单晶硅作为应用于MEMS和NEMS最广泛的材料，其物理参数多年来是最被重视和研究最为广泛的。杨氏模量在宏观上体现弹性体应力和应变的关系，与MEMS及NEMS结构受力下的变形、挠度及谐振频率等重要特性有最直接的关系。.本项目完成了预期目标，对掺杂单晶硅纳米结构（纳米薄膜，纳米线和纳米梁）的静态、动态力学特性进行了系统地研究，并对单晶硅纳米线力学特性的温度效应进行了探索研究。并用分子动力学方法模拟了掺杂单晶硅结构的动态力学特性，得出了和解析模型一致的结论。.本项目由Keating形变势模型出发，计算了掺杂单晶硅纳米结构的形变能，并基于半连续模型建立了多尺度掺杂单晶硅纳米结构（纳米薄膜，纳米线和纳米梁）杨氏模量的解析模型。并将模型与体硅及分子动力学模拟结果进行了比较。结果显示掺杂单晶硅纳米结构的杨氏模量随尺寸的减小而减小，掺杂对结构杨氏模量的影响不大。并且以温度对晶格常数的影响为基础，由非谐Keating形变势模型得到了温度不同时掺杂单晶硅纳米线的形变能，进而建立了多尺度掺杂单晶硅纳米线杨氏模量和温度耦合的解析模型，得到了杨氏模量呈现负温度系数的结论。其次，基于掺杂单晶硅纳米线形变能的解析模型，建立了掺杂单晶硅纳米梁负载-挠度及谐振频率的解析模型。最后，用分子动力学方法模拟了不同尺寸掺杂浓度相同的单晶硅纳米梁及同一尺寸不同掺杂浓度单晶硅梁的谐振频率，得出了和解析模型一致的结论，即随着掺杂浓度增加谐振频率增加。多尺度掺杂单晶硅纳米结构的静态、动态力学特性的解析模型对硅NEMS的研究和设计起到一定的参考价值。