面向微纳电子机械系统应用的微纳螺旋生长机理及性质研究

摘要

微纳材料是MEMS、NEMS的基本构成元件,其制备工艺及性质研究倍受关注。在众多微纳结构中,微纳螺旋作为三维材料具有独特的物理性能,引起了材料、物理、化学等领域研究人员的广泛兴趣。本论文主要集中于探讨由自卷曲法制备得到的多层微纳螺旋的生长机理,特别关注了边缘效应对螺旋角小于45°的多层密排微纳螺旋几何形貌的影响；在微纳螺旋性质研究方面,对微纳螺旋机械性质中的超弹性作了深层次研究。
　　 在各种微纳螺旋制备方法中,可控性最好的方法是结合“自上而下”和“自下而上”手段的所谓自卷曲法。利用该方法可以制备得到螺旋角小于45°的密排多层微纳螺旋,这种螺旋材料有足够的形变空间来增加磁通量和弹性,因而在MEMS、NEMS应用更为广泛。实验证实密排螺旋形成是由于纳米带边缘释放初应力产生边缘效应,从而引入了一个额外的力矩。然而边缘效应机理还不是很明确,虽然现有理论可以估算单轴应力释放情况下微纳螺旋的半径和应力分量,但是无法描述双轴力矩作用下应力引入的自卷曲机制,及形成螺旋的几何。因此,我们借助Cosserat曲线模型建立一全面理论,从双轴力矩角度详细分析多层纳米薄膜在应力驱动下各向异性卷曲成微纳螺旋的理论机制。我们计算得到微纳螺旋几何量与轴向拉力和力矩的关系。当螺旋几何参量已知时,该关系提供了一个研究力和力矩的方法。通过观察多层卷曲纳米结构的SEM图,这有助于我们理解由释放应力而引入的双轴力矩机制。
　　 首先我们研究了边缘效应可忽略的情况,此时纳米带卷曲成螺旋角大于、等于45°的螺旋。利用p型SiGe/Si我们计算得到螺旋几何参量与实验测量值相符,并且认为由晶格失配力产生的两个弯曲力矩还不足以大到可以使纳米带偏离最易卷曲方向卷曲,所以形成螺旋的几何与只考虑单轴力矩情况几乎一样,同很多实验观测一致。其次我们着重研究了边缘效应,这时薄膜偏离优先卷曲方向卷曲成螺旋角小于45°的螺旋。我们通过分析SiGe/Si和SiGe/Si/Cr纳米螺旋实验结果验证得到边缘效应作用机制:边缘效应力F’垂直于优先卷曲方向的分量与该方向的晶格失配力一起产生-扭力矩转动纳米带；而边缘效应力F’沿优先卷曲方向的分量阻止该方向的晶格失配力使纳米带沿<100>方向卷曲,从而产生-弯曲力矩转动纳米带。并且边缘效应力F’随Cr层厚度增加而增加,其大小将直接影响纳米环直径:边缘效应较大纳米环直径随带宽减小而增大,边缘效应较小纳米环直径随带宽减小而减小。而纳米带卷曲成螺旋过程中,会拉伸原长的千分之几,所以当螺旋应用于MEMS、NEMS时,其伸长量不可忽略。
　　 因此在微纳螺旋和纳米环生长方面,我们的工作能够指导人们在实验上获得更好的自卷曲法生长技术。我们不仅从理论上详细解释了边缘效应作用机理,而且最重要的是根据我们的模型可以确定任意螺旋角的纳米螺旋和纳米环的几何形貌,从而实验上就可以选择合适的材料来设计这些结构形貌,以实现可控生长复杂多层异质纳米螺旋和纳米环的目的。
　　 虽然螺旋结构被认为用途广泛,但是在掌握它们物理性质之前就断言其潜在应用还为时过早,所以我们研究了微纳螺旋的机械性质。微纳螺旋在轴向高负载的作用下几乎可以被拉伸成直线,当撤去负载时,螺旋恢复原形,微纳螺旋这种性质被称为超弹性,并受到人们广泛关注。然而现有理论无论是经典弹性理论还是被普遍用来研究弹性细杆的基尔霍夫模型都不能全面而精确的描述螺旋超弹性。因此我们建立了一套模型将Cosserat曲线理论应用到微纳螺旋超弹性。我们假设有一个N匝均匀螺旋H1被-轴向拉力F拉伸为螺旋HF。我们计算得到螺旋在轴向外力或外力矩作用下,螺旋的几何量以及胡克常量的变化。并且如果假设材料没有拉伸和剪切形变,我们的模型将简化为基尔霍夫模型。
　　 我们首先通过两种典型的微纳螺旋证明我们的模型能够很好解释微纳螺旋负载实验。其次我们精确估算了拉断螺旋的力Fbreak,即超弹性耐受力,而由基尔霍夫模型计算得到Fbreak比实际小很多。在得到Fbreak后我们重现并解释了微纳螺旋在整个拉伸和拉断区域内负载力与螺旋拉伸关系。我们的模型可以克服传统基尔霍夫模型的弊端,从而完整描述超弹性在整个拉伸和拉断区域的性质。我们模型的独特之处在于可描述螺旋线拉伸量,我们计算得到当螺旋被拉到极限时,伸长量与原长可比,因此在螺旋超弹性高应力区域,螺旋线拉伸量及其重要,不能忽略。
　　 在机械性质部分,我们最后研究了螺旋胡克常量和力矩随拉伸的变化。在螺旋各种机械物理量中,胡克常量可以直接并且精确描述螺旋超弹性。在螺旋线性弹性区域,胡克常量几乎不变,其平均值与实验测量值相符。继续拉伸拉紧的螺旋直到拉断,胡克常量平缓上升进入饱和值,即螺旋线弹性常数。力矩是超弹性另一重要物理量,我们分析得到螺旋在整个负载过程中先绕螺旋轴逆时针旋转,然后再顺时针旋转。虽然迄今为止,没有实验测量结果,但我们的模型不仅从力矩角度分析了螺旋动力学,而且为今后实验研究提供了可靠依据。

目录

文摘

英文文摘

上海交通大学博士学位论文答辩决议书

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 论文内容安排及主要工作

参考文献

第二章 微纳螺旋制备及机械性质研究概况

2.1 自卷曲法原理

2.2 自卷曲法制备方法

2.2.1 外延生长

2.2.2 光刻及刻蚀

2.3 自卷曲法形成螺旋几何形貌

2.3.1 螺旋手征性

2.3.2 螺旋几何

2.4 微纳螺旋机械性能

2.4.1 微纳螺旋机械性能实验

2.4.2 微纳螺旋机械性能理论

参考文献

第三章 弹性细杆的Cosserat曲线理论

3.1 引言

3.2 Cosserat曲线基本方程

3.3 Cosserat曲线平衡理论

3.4 弹性细杆非线性理论

参考文献

第四章 微纳螺旋生长机理

4.1 密排纳米螺旋制备方法

4.1.1 UHV CVD外延生长

4.1.2 外延生长Cr层

4.1.3 光刻

4.1.4 刻蚀

4.1.5 清洗干燥

4.1.6 总结

4.2 密排多层纳米螺旋表征与有限元分析

4.2.1 表征

4.2.2 有限元分析

4.3 多层微纳螺旋生长机理详解

4.3.1 理论模型

4.3.2 实验观测

4.3.3 无边缘效应

4.3.4 边缘效应

参考文献

第五章 微纳螺旋超弹性

5.1 微纳螺旋超弹性实验发展

5.1.1 C纳米螺旋

5.1.2 InGaAs/GaAs纳米螺旋

5.1.3 ZnO纳米螺旋

5.1.4 Si3N4微米螺旋

5.2 微纳螺旋超弹性理论模型

5.3 微纳螺旋超弹性理论详解

5.3.1 微纳螺旋耐受力

5.3.2 微纳螺旋超弹性负载

5.3.3 微纳螺旋线拉伸

5.3.4 微纳螺旋胡克常量及力矩

参考文献

第六章 总结与展望

6.1 本文主要结论和创新点

6.2 展望

致谢

博士期间已发表文章和获得奖励