量子效应对微纳机械系统稳定性的影响

摘要

Casimir效应是一个纯粹的量子效应，它是真空电磁场中因边界条件的变化而使零点能涨落所引起的效应，是量子真空对边界的依赖的一个直接表现。它表现为真空两平行金属板之间的一个吸引力。虽然Casimir力看起来非常微弱，但在低于微米的距离内，Casimir力却成为两个物体之间的最强力。例如，在10纳米的距离上，Casimir力产生的作用相当于一个大气压。在MEMS/NEMS稳定性的研究中中遇到的一个重要问题就是粘附效应(stiction)，当两块微/纳构件之间的距离减小到一定程度，就会突然粘附到一起，而且是不能复原的，就会导致器件失效。在亚微米量级，Casimir效应就是造成粘附现象的最主要的原因之一。 本文第一，二章介绍了电磁场真空零点能与Casimir效应的关系以及真空中平行的理想导体板之间量子电磁场的Casimir力，介绍了一些重要的有关Casimir力的实验方法和Casimir效应在物理学中不同的研究领域的应用。第三章对一个一维集总的微纳机械开关结构进行建模分析，讨论了在Casimir效应下系统的稳定性问题。发现开关模型的两平行金属板之间存在一个临界初始距离(pull-in gap)，当两平板之间的距离小于此值，粘附现象就会发生。当加在平板之间的电压达到一个临界值时(pull-in voltage)，两平板也会粘附在一起，造成失效。第四章计算了微纳机械开关结构中两个十分重要的临界参数(pull-inparameters)--临界电压(pull-in voltage)和临界距离(pull-in gap)。并在计算中引入Casimir力的各项修正因子，着重讨论了材料性质和环境温度对于微纳器件稳定性和临界参数的影响。第五章介绍了声场Casimir效应的产生机制，除了由零点电磁场(zero-point field)Casimir效应，声场Casimir效应对于微纳器件的稳定性也有着不可忽视的影响。由于声场Casimir效应的引入，温度的影响也变得十分重要。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1研究背景

1.1.1微纳机电系统

1.1.2微纳机械系统中的粘附效应

1.1.3量子效应的影响

1.2本文研究内容

第二章Casimir效应

2.1真空零点能与Casimir效应

2.2真空理想平行金属板之间的Casimir力

2.3 Casimir力的测量和应用

第三章Casimir效应对微纳器件稳定性的影响

3.1理想情况下对于微纳器件稳定性的分析

3.2 Casimir力的各项修正

3.2.1导电性修正

3.2.2表面粗糙程度的修正

3.3.3环境温度的修正

3.3材料特性对器件稳定性的影响

3.3.1材料导电性的影响

3.3.2表面粗糙程度的影响

3.3.3环境温度的影响

第四章pull-in parameters的计算

4.1微纳机械开关中的临界参数(pull-in parameters)

4.2 pull-in gap

4.3 pull-in voltage

第五章声场Casimir效应

5.1声场Casimir效应

5.2声场Casimir效应对于微纳器件稳定性的影响

第六章总结与展望

6.1总结

6.2展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文