面向微納電子機(jī)械系統(tǒng)應(yīng)用的微納螺旋生長(zhǎng)機(jī)理及性質(zhì)研究.pdf

1、微納材料是MEMS、NEMS的基本構(gòu)成元件,其制備工藝及性質(zhì)研究倍受關(guān)注。在眾多微納結(jié)構(gòu)中,微納螺旋作為三維材料具有獨(dú)特的物理性能,引起了材料、物理、化學(xué)等領(lǐng)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(zhǎng)機(jī)理,特別關(guān)注了邊緣效應(yīng)對(duì)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(zhì)研究方面,對(duì)微納螺旋機(jī)械性質(zhì)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(jié)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(lái)增加磁通量和彈性,因而在MEMS、NEMS應(yīng)用更為廣泛。實(shí)驗(yàn)證實(shí)密排螺旋形成是由于納米帶邊緣釋放初應(yīng)力產(chǎn)生邊緣效應(yīng),從而引入了一個(gè)額外的力矩。然而邊緣效應(yīng)機(jī)理還不是很明確,雖然現(xiàn)有理論可以估算單軸應(yīng)力釋放情況下微納螺旋的半徑和應(yīng)力分量,但是無(wú)法描述雙軸力矩作用下應(yīng)力引入的自卷曲機(jī)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(xì)分析多層納米薄膜在應(yīng)力驅(qū)動(dòng)下各向異性卷曲成微納螺旋的理論機(jī)制。我們計(jì)算得到微納螺旋幾何量與軸向拉力和力矩的關(guān)系。當(dāng)螺旋幾何參量已知時(shí),該關(guān)系提供了一個(gè)研究力和力矩的方法。通過(guò)觀察多層卷曲納米結(jié)構(gòu)的SEM圖,這有助于我們理解由釋放應(yīng)力而引入的雙軸力矩機(jī)制。
　　 首先我們研究了邊緣效應(yīng)可忽略的情況,此時(shí)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(jì)算得到螺旋幾何參量與實(shí)驗(yàn)測(cè)量值相符,并且認(rèn)為由晶格失配力產(chǎn)生的兩個(gè)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(shí)驗(yàn)觀測(cè)一致。其次我們著重研究了邊緣效應(yīng),這時(shí)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(guò)分析SiGe/Si和SiGe/Si/Cr納米螺旋實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證得到邊緣效應(yīng)作用機(jī)制:邊緣效應(yīng)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(chǎn)生

5、-扭力矩轉(zhuǎn)動(dòng)納米帶；而邊緣效應(yīng)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(chǎn)生-彎曲力矩轉(zhuǎn)動(dòng)納米帶。并且邊緣效應(yīng)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(yīng)較大納米環(huán)直徑隨帶寬減小而增大,邊緣效應(yīng)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(guò)程中,會(huì)拉伸原長(zhǎng)的千分之幾,所以當(dāng)螺旋應(yīng)用于MEMS、NEMS時(shí),其伸長(zhǎng)量不可忽略。
　　 因此在微納螺旋和納米環(huán)生長(zhǎng)方面,

6、我們的工作能夠指導(dǎo)人們?cè)趯?shí)驗(yàn)上獲得更好的自卷曲法生長(zhǎng)技術(shù)。我們不僅從理論上詳細(xì)解釋了邊緣效應(yīng)作用機(jī)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(shí)驗(yàn)上就可以選擇合適的材料來(lái)設(shè)計(jì)這些結(jié)構(gòu)形貌,以實(shí)現(xiàn)可控生長(zhǎng)復(fù)雜多層異質(zhì)納米螺旋和納米環(huán)的目的。
　　 雖然螺旋結(jié)構(gòu)被認(rèn)為用途廣泛,但是在掌握它們物理性質(zhì)之前就斷言其潛在應(yīng)用還為時(shí)過(guò)早,所以我們研究了微納螺旋的機(jī)械性質(zhì)。微納螺旋在軸向高負(fù)載的作用下幾

7、乎可以被拉伸成直線,當(dāng)撤去負(fù)載時(shí),螺旋恢復(fù)原形,微納螺旋這種性質(zhì)被稱(chēng)為超彈性,并受到人們廣泛關(guān)注。然而現(xiàn)有理論無(wú)論是經(jīng)典彈性理論還是被普遍用來(lái)研究彈性細(xì)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(yīng)用到微納螺旋超彈性。我們假設(shè)有一個(gè)N匝均勻螺旋H1被-軸向拉力F拉伸為螺旋HF。我們計(jì)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(shè)材料沒(méi)有拉伸和剪切形變

8、,我們的模型將簡(jiǎn)化為基爾霍夫模型。
　　 我們首先通過(guò)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(fù)載實(shí)驗(yàn)。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(jì)算得到Fbreak比實(shí)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(gè)拉伸和拉斷區(qū)域內(nèi)負(fù)載力與螺旋拉伸關(guān)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(gè)拉伸和拉斷區(qū)域的性質(zhì)。我們模型的獨(dú)特之處在于可描述螺

9、旋線拉伸量,我們計(jì)算得到當(dāng)螺旋被拉到極限時(shí),伸長(zhǎng)量與原長(zhǎng)可比,因此在螺旋超彈性高應(yīng)力區(qū)域,螺旋線拉伸量及其重要,不能忽略。
　　 在機(jī)械性質(zhì)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(jī)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(shí)驗(yàn)測(cè)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(jìn)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