硅微结构表面摩擦特性的分子动力学研究

摘要

随着纳米技术的进步和社会需求的增加，器件微型化成为不可避免的趋势。器件微型化导致比表面积增大，表面效应显著增强，使得粘附力、摩擦力等表面力成为影响器件性能和使用寿命的关键因素。而对器件表面构筑微结构，是解决这一问题的有效方法之一。研究微纳尺度下微结构表面的摩擦行为，有助于深化人们对表面摩擦原理的理解，而且对微纳米器件的制造和发展有一定的指导意义。
　　本文采用分子动力学方法建立纳米尺度下硅基底表面干摩擦模型，构建条纹状、网格状、凹坑状3种微结构表面，研究微结构形状、尺寸对摩擦的影响。研究结果表明，表面微结构可以显著降低探针与硅基底表面之间的滑动摩擦力，其中网格状微结构表面减摩能力最好，其次为条纹状微结构表面，凹坑状微结构表面减摩能力最弱。凹坑状、条纹状微结构表面的摩擦力随宽度尺寸的增加而增加，网格状微结构表面的摩擦力受宽度尺寸的影响较小。三种微结构表面的摩擦力均随深度尺寸的增加而减小。
　　本文还用分子动力学方法建立了水环境下探针在硅基底表面滑动的摩擦模型，讨论水分子层厚度、微结构形状、尺寸以及表而各向异性对湿摩擦的影响。研究结果表明，基底表面水分子层会增大表面摩擦力，且摩擦力随水分子层数量的增加先增加而后略有下降。微结构表面可以明显削弱水分子对探针的粘附，不同形状的微结构表面的探针与水分子分离时的运动距离随微结构宽度尺寸的变化不同，但均随深度尺寸的增加而减小。对于条纹状微结构表面，湿摩擦状态下，垂直条纹表面的摩擦力小于平行条纹表面的摩擦力;而在干摩擦状态下，垂直条纹表面的摩擦力大于平行条纹表面的摩擦力。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 纳米摩擦学

1．1．1 纳米摩擦学的研究背景及意义

1．1．2 微结构表面的研究

1．1．3 微结构表面的加工方法

1．2 纳米摩擦学的研究方法

1．2．1 实验研究方法

1．2．2 计算机模拟方法

1．3 微结构表面干摩擦和湿摩擦研究现状

1．3．1 微结构表面干摩擦研究现状

1．3．2 表面湿摩擦研究现状

1．4 本文主要研究内容

第二章 分子动力学模拟

2．1 分子动力学模拟的基本原理

2．2 分子动力学模拟的基本步骤

2．2．1 粒子的位置初始化和速度初始化

2．2．2 分子动力势的选择

2．2．3 运动方程的解析和选取

2．2．4 调温方法的选取

2．3 分子动力学模型的注意事项

2．3．1 系综

2．3．2 边界条件

2．3．3 最近镜像和截断半径

2．3．4 无量纲化

2．4 本章小结

第三章 微结构表面干摩擦

3．1 分子动力学模型

3．2 微结构形状对表面摩擦的影响

3．3 微结构尺寸对表面摩擦的影响

3．4 本章小结

第四章 水环境下微结构表面的摩擦学特性

4．1 分子动力学模型

4．2 水环境下平整表面摩擦学特性

4．2．1 单层水分子时表面摩擦特性

4．2．2 多层水分子时表面摩擦特性

4．3 水环境下微结构表面的摩擦特性

4．3．1 微结构形状对摩擦的影响

4．3．2 微结构尺寸对湿摩擦的影响

4．4 水环境下表面各向异性的摩擦特性

4．4．1 微结构方向对摩擦的影响

4．4．2 微结构尺寸对垂直条纹表面摩擦特性的影响

4．5 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 总结

5．2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文