单晶硅纳米力学性能的测试
硅单晶电阻率的测试
作业指导书
1、准备材料
样品检验工作台 硅片 四探针测试仪
2、实验步骤
1、插好电源线、四探针连接线，检查保险丝有无松动； 2、打开电源开关，此时数字表各控制开关均有指示灯亮； 3、观察控制开关，将按钮置于“1mA”，“ρ”，“校准”； 4、调节粗调、细调旋钮，使数字表上的数字和厚度修正系数表上的数一 致，即I=C； 5、将最右端的按钮置于“测量”状态，此时数字表上显示为实测样品电 阻率； 6、选择电流：电阻率≤1欧姆•cm 时选用10mA挡测试； 7、将按钮调置“校准”，调节数字表上数字与厚度修正系数表上的值相 等。将按钮置于“测量”读出数就为电阻率； 连续测十次，每次样品旋转20°左右，再求平均值。
2片 符合检验要求
检验日期 检验依据
2013-9-17 国标GB/T1552-1995
1~2mm 2×9.8N 李川、钟宇健、陈涛
委托检验
Hale Waihona Puke 探针间距 和探针压 力 测量者
测量电 流 测量日
1mA、10mA
2013、9、17
3、测试结果
次数 1 2 厚 6 0.63 0.63 度 0.5 0.56 0.55 (mm） 3 4 5 6 7 8 0.64 0.63 0.65 0.64 0.64 0.64 0.55 0.56 0.54 0.53 0.54 0.54 9 10 0.63 0.64 0.55 0.55 平均值 0.637 0.547
4、探针法测电阻率的测准条件
1、任意探针到样品边缘的最近距离和样品厚度必须大于3倍针距； 2、压探针时，用力不要过大。在硅片上做标记的时候，一定要放在平坦的桌面 上进行，以免划破硅片； 3、四探针与样品应有良好的欧姆接触，为此探针应该比较尖，接触点应是半球 形，且接触半径应远远小于针距； 4、电流在测试期间要保持恒定； 5、由于样品表电阻可能分布不均,测量时应对一个样品多测几个点,然后取平均值； 电流在测试期间要保持恒定。
纳米压入法微机械材料力学性能测量不确定度的影响因素分类及评价
关 键 词 ： 纳 米 压 人 ； ＭＳ 力 学 性 能 ； 确 定 度 ＭＥ ； 不
定力 学性 能 参数 多 以 及易 装 夹等 特点 ，迄 今 为止 ，压
入 法仍 是微 机 械 材 料 力学 性 能 测 量 中 应 用 最 广 的 一 种 方 法 。微 机械 材 料力 学 性 能主 要包 括 硬度 、 弹性 模
量、 屈服 强 度 、 裂 韧性 和 应 变硬 化 等 。 断 由于 ＭＥ ＭＳ元 件和 薄膜 的尺 寸越 来 越 小 ，压 入 深 度要 求 愈来 愈 浅 ，
２ 基 本 原 理
压 入法 的基 本 原理 是 ： 压头 在高 精 度加 载 机构 驱 动下 连续 对 试样 进 行压 入 ， 达 到所 设定 的最大 压 入 待 载荷 或 深 度后 ，即刻 或 在 最 大 载荷 保 持一 定 时 间后 ， 压 头 在该 机 构 驱 动 下卸 载 至零 。在 加 载 和 卸 载 过 程
纳米压入 法微 机械 材 料 力学性能测 量不确定 度 的影 响 因素分 类及 评 价
赵 则祥 １，蒋庄 德 ， 海 容 ， ２ 王
（ １西 安 交 通 大 学 ， 西 陕 西 安 ７ ０ ４ ） １ ０ ９ ４ ００ ） ５ ０ ７ （ 中原 工 学 院 ， 南 郑 州 ２ 河
摘
要 ：在 介 绍 纳 米 压 人 法 微 机 械 力 学 性 能 测 量 原 理 的基 础 上 ， 出 了纳 米 压 人 法 微 机 械 材 料 力 学 性 能 测 量 不 确 定 度 的 提
纳米材料的力学性能测试与分析
纳米材料的力学性能测试与分析随着纳米科技的迅速发展，纳米材料在各个领域中的应用越来越广泛。
然而，由于其特殊的尺度效应和表面效应，纳米材料的力学性能测试与分析变得更加困难和复杂。
本文将介绍纳米材料力学性能的测试方法和分析技术，并探讨其在实际应用中的意义和挑战。
一、力学性能测试的方法1. 压痕测试法压痕测试法是一种常用的纳米材料力学性能测试方法。
通过在纳米材料表面施加一定压力，通过观察压痕的产生和扩展来推断纳米材料的硬度和弹性模量等力学参数。
压痕测试法具有简单、快速的优势，并且适用于各种纳米材料。
2. 拉伸测试法拉伸测试法是另一种常用的纳米材料力学性能测试方法。
通过将纳米材料拉伸至破裂点，测定其应力-应变曲线，并计算出纳米材料的屈服强度、断裂韧性等力学参数。
拉伸测试法可以提供更全面和详细的力学性能信息，但对仪器设备和材料标本制备等要求较高。
二、力学性能分析的技术1. 分子动力学模拟分子动力学模拟是一种基于物理原理的力学性能分析技术，可以模拟纳米材料在原子尺度上的行为。
通过建立原子级别的力场模型和运动方程，可以模拟纳米材料的结构演化、应力分布等力学性能表现。
分子动力学模拟可以提供丰富的细节信息，但计算复杂度较高。
2. 有限元分析有限元分析是一种基于数值计算的力学性能分析技术，可以模拟纳米材料在宏观尺度上的行为。
通过将纳米材料离散化为有限数量的单元，并考虑边界条件和加载情况，可以计算出纳米材料的应力分布、形变情况等力学性能参数。
有限元分析具有较高的计算效率和适用性。
三、实际应用与挑战纳米材料的力学性能测试与分析在材料科学、机械工程等领域中具有重要的应用价值。
能够准确了解和评估纳米材料的力学性能，对于设计和制造具有优异性能的纳米材料产品具有重要意义。
然而，纳米材料的力学性能测试与分析也面临一些挑战。
首先，纳米材料的尺度效应和表面效应使得传统力学理论无法直接适用于纳米材料的力学性能预测和分析。
其次，针对纳米材料的测试方法和分析技术需要更高的精度和灵敏度，以满足纳米材料特殊性能的需求。
原子力显微镜测量高分子纳米材料力学性能探针选择的研究
原子力显微镜测量高分子纳米材料力学性能探针选择的研究张慧;董彬【摘要】In this paper ,we studied the influence of the polymer single crystal thickness and the tip spring constant (k) on the test results of the mechanical measurement using the atomic force microscopy . The experiment shows that the substrate has a great influence when the sample is too thin ,and when the tip spring constant(k) is low ,the mechanical property is lower than the true value .A appropriate k can make the measure results more close to its true value .%以高分子单晶为测试样本，主要研究了利用原子力显微镜（A FM ）对高分子纳米材料进行力学性能测试时样本的厚度和探针的弹性系数（k ）对其测试结果的影响。
结果表明测试的样本厚度比较低时测试结果受基底影响较大；在样本确定足够厚度的前提下，探针采用k值过小的探针得到的测试值偏低，采用合适k值的探针才能得到较接近真实值得测试结果。
【期刊名称】《分析仪器》【年(卷),期】2016(000)002【总页数】4页(P69-72)【关键词】原子力显微镜;探针;杨氏模量;高分子单晶【作者】张慧;董彬【作者单位】苏州大学分析测试中心，苏州 215123;苏州大学功能纳米与软物质研究院，苏州 215123【正文语种】中文原子力显微镜(AFM)现在已经成为表征材料的表面形貌的一种重要手段。
纳米压痕有缺陷单晶硅的分子动力学分析
0引言
硅错等半导体因为具有高物理强度、耐磨性、耐高 温、耐腐蚀、抗氧化等特性,使其可以承受高分子材料 和金属材料难以应用的恶劣工作环境。随着科技和工 业的发展,微电子工业市场对这种材料的需求也日益 突出*1-+。但是，脆性材料总是包含一系列缺陷，其中 之一就是裂纹⑷。许多研究表明，纳米结构材料的机 械断裂与裂纹的形核和扩展直接相关[5]&所以研究纳 米裂纹在加工过程中的演变方式以及内在机理以延长 工件的使用寿命显得尤为重要。
( School of Mechanical Engineering, Guizhou Unmersity, Guiyang 550000, China) Abstracc: In order to study the effect of nano cracks in monocrystaaine silicon on the machining process, a molecular dynamics model of nano indentation in monocrysallme silicon was established. In this study, theinfluenceofdiferentindentation 2peed on theevolution ofnano crack2in monocry2taline2ilicon wa2 analyzed. The nanoindentation process, temperature change, potential energy change, loading forcc, crack propagation and coordination number were studied. The results show that the nano cracks in the workpieca tend to heal during the loading process ； The higher the indenter loading speed is, the higher the tempera ture of the nano indentation zone of the workpieca is, and the greater the potential energy is, but the load ing speed hasiteefecton the/oad variation trend； In addition, theamountofBct5 Siand SiIin the workpiecedecreasessignificanty dueto nano cracks.Thisstudy providestheoretica/guidanceforthepractica/procesing ofmonocrystainesiicon semiconductorswith defects. Key wors： molecular dynamics ； nano crack ； nano indentation
纳米科技材料的性能测试方法与标准规范解读
纳米科技材料的性能测试方法与标准规范解读随着科技的高速发展，纳米科技已经成为各个领域的热门研究方向，纳米材料的性能测试方法和标准规范对于实现材料的精准设计、可靠应用以及产品的质量控制至关重要。
本文将重点介绍纳米科技材料性能测试方法和标准规范的严格解读。
1. 纳米材料的性能测试方法纳米材料与传统材料相比，具有独特的特性和性能，因此需要采用特殊的测试方法进行性能评估。
以下为常用的纳米材料性能测试方法：1.1 纳米材料的粒径测量纳米材料的粒径对于其性能具有重要影响，因此粒径测量是纳米材料性能测试的首要任务。
常用的方法有透射电子显微镜（TEM）、扫描电子显微镜（SEM）和动态光散射（DLS）等。
1.2 纳米材料的结构表征纳米材料的结构对其性能起着至关重要的作用，因此需要采用一系列的结构表征方法进行测试。
例如，X射线衍射（XRD）用于分析晶体结构；拉曼光谱（Raman）用于研究材料的分子振动和晶格动力学等。
1.3 纳米材料的机械性能测试材料的机械性能是其可靠运用的关键指标之一，对纳米材料的机械性能测试方法进行了大量研究。
常用的方法包括纳米压痕测试（Nanoindentation）、扫描探针显微镜（SPM）和纳米拉伸实验等。
1.4 纳米材料的热学性能测试纳米材料的热学性能对于其在能源、催化等领域的应用至关重要。
因此，研究者们开发了一系列测试方法，如差示扫描量热法（DSC）、热导率测试仪和纳米量热仪等。
2. 纳米材料性能测试的标准规范解读为了保证纳米科技材料性能测试的准确性和可比性，各个国家和国际组织制定了相应的标准规范，以规定测试方法和要求。
下面将重点介绍几个重要的标准规范：2.1 ISO/TS 80004-1:2015该标准主要针对纳米材料的术语和定义进行了规范，为纳米科技材料的研究和应用提供了统一的术语和定义。
它为纳米材料的性质表征和测试提供了一个共同的基础。
2.2 ISO/TS 12901-2:2014该标准规范了纳米材料亲水性和疏水性的测试方法和评价准则，以及纳米颗粒在液体中的分散性评价指标，对于纳米材料的应用和环境影响研究具有重要意义。
纳米材料的力学性能研究方法与技巧
纳米材料的力学性能研究方法与技巧引言：纳米材料的力学性能研究是纳米领域中的一个重要课题。
纳米材料由于其特殊的尺寸效应和界面效应，表现出与传统材料截然不同的力学性能。
准确研究纳米材料的力学性能对于设计和制备具有特定性能的纳米材料具有重要意义。
本文将介绍纳米材料力学性能研究的方法和技巧。
一、纳米材料力学性能的测试方法1. 纳米压痕测试：纳米压痕测试是一种常用的纳米材料力学性能测试方法。
该方法通过利用压头对材料表面进行压痕，通过测量压头在样本表面产生的形变来计算材料在纳米尺度下的力学性能参数。
纳米压痕测试可以获得材料的硬度、弹性模量等力学性能参数。
2. 纳米拉伸测试：纳米拉伸测试是另一种常用的纳米材料力学性能测试方法。
该方法通过拉伸样品，测量其应变和应力，通过得到的应力-应变曲线来计算纳米材料的力学性能参数。
纳米拉伸测试可以获得材料的抗拉强度、屈服强度等性能参数。
3. 纳米压缩测试：纳米压缩测试是对纳米材料进行压缩加载，测量力与位移之间的关系，得出纳米材料的力学性能参数。
纳米压缩测试可以用于研究纳米材料的变形行为和力学性能。
二、纳米材料力学性能研究的技巧1. 选取合适的纳米材料：不同类型的纳米材料具有不同的力学性能。
在进行纳米材料力学性能研究前，需要根据具体研究目的选择合适的纳米材料。
考虑纳米材料的结构、成分以及合成方法等因素，选择具有一定代表性的样品进行力学性能测试。
2. 样品制备的标准化：样品制备对于纳米材料力学性能研究的结果具有重要影响。
因此，要确保样品制备的标准化和重复性。
在制备样品时应注意控制纳米颗粒的尺寸、形貌和分散性，避免影响力学性能测试的因素。
3. 合理选择性能测试参数：在进行纳米材料力学性能测试时，需要根据具体样品的特点和测试目的，选择合适的测试参数。
例如，在纳米压痕测试中，应根据样品的硬度范围选择合适的压头，以保证测试结果的准确性。
4. 结合理论计算与实验：纳米材料力学性能的研究需要结合理论计算与实验相结合。
纳米力学基础实验报告
一、实验目的1. 了解纳米力学的基本原理和实验方法。
2. 掌握纳米力学实验仪器的使用技巧。
3. 通过实验验证纳米力学的基本理论。
二、实验原理纳米力学是研究纳米尺度物质力学性质和动力学问题的学科。
在纳米尺度上，物质的力学性质与宏观尺度存在显著差异，如量子尺寸效应、表面效应、尺寸效应等。
本实验旨在通过实验验证纳米力学的基本原理，如胡克定律、杨氏模量、泊松比等。
三、实验仪器与材料1. 实验仪器：- 纳米力学测试系统- 原子力显微镜（AFM）- 扫描隧道显微镜（STM）- 纳米压痕仪- 传感器- 计算机2. 实验材料：- 纳米材料样品（如纳米颗粒、纳米线、纳米薄膜等）- 标准样品（如单晶硅、金刚石等）四、实验步骤1. 纳米力学测试系统搭建：将纳米力学测试系统连接至计算机，确保各部件运行正常。
2. 样品制备：将纳米材料样品制备成适合测试的尺寸和形状。
3. 纳米力学性能测试：- 使用AFM测试样品的表面形貌和粗糙度。
- 使用STM测试样品的表面电学性质。
- 使用纳米压痕仪测试样品的杨氏模量和泊松比。
- 使用传感器测试样品的力学响应。
4. 数据处理与分析：将实验数据导入计算机，进行数据处理和分析。
五、实验结果与分析1. AFM测试结果显示，样品表面光滑，无明显缺陷。
2. STM测试结果显示，样品表面电学性质良好。
3. 纳米压痕测试结果显示，样品的杨氏模量为X GPa，泊松比为Y。
4. 传感器测试结果显示，样品的力学响应与理论值基本一致。
六、实验结论1. 本实验成功验证了纳米力学的基本原理，如胡克定律、杨氏模量、泊松比等。
2. 实验结果与理论值基本一致，表明纳米力学实验方法可靠。
3. 纳米力学在纳米材料研究和应用中具有重要意义。
七、实验心得1. 纳米力学实验需要精确的仪器和操作技巧，对实验人员要求较高。
2. 纳米力学实验结果受多种因素影响，如样品制备、测试环境等。
3. 纳米力学实验为纳米材料研究和应用提供了有力支持。
单晶硅在氦离子注入前后的力学性能研究
ｃｔ ａ ｔｅ ａｏａｄ ｅｓｓ ｅｒ ｓ ｔ ｉｐａｔ ｎ ｅ ｒｓ ｌ ｏ ． ｈｓｓ ａ ｌ ｂｃｕｅ ｔ 一 ｐａ— ａｅ ｔ ｔｈ ｎ ｈｒｎｓ ｉｄｃｅ ｅ ａ ｅ Ｎ ｍ ｌ ｅ ｓ ｇ ｔ ｓｉ ｎ Ｔ ｉｉ ｍ ｉ ｙ ｅａｓ ａ ｅ Ｎ ｉ ｌ ｓｈ ｎ ａ ｄｆ ｒ ｎ ｄ ｉ ｃ ａ ｉｃ ｌ ｙ ｌ ｎ ｒ ｆ ｍ ｎ
ｔｄ，ｈ ｉｔｒｉｎ ｒｓｓａ ｃ ｆｃ ｓａ ａｔ ｅ ｉ ｅ ｒ ａ ｅ ｅ ｔ ｅ ｄｓｏ ｔ ｅ ｉｔ ｅ ｏ ｒ ｔ ｌｔｉ ｓ ｄ ｃｅ ｓ ｄ． ｏ ｎ ｙ ｌ ｃ Ｋｅ ｗｏｄ ：ｉｇ ｅ ｃ ｓａ ｉｉｏ ｉｎ—ｍｐ ａ ｔｔｏ ｎ ｎ ｈ ｄ ｅ ｓ ｙ ｒ ｓ ｓｎ ｌ ｒ ｔ ｓｌ ｎ；ｏ ｉ ｌ ａｉｎ； ａ ｏ ａ ｎ ｓ ｙ ｌ ｃ ｎ ｒ
李
（ ．中国矿业 大学机电学院 １
伟 张德坤。 吴虎城
江苏徐州 ２ １０ ） ２０ ８
江苏徐州 ２ １０ ；２ ２ ０ ８ ．中国矿业大学材料学院
摘要 形成 的表面改性层为研究对象 ，在原位纳米力学测
试系统上进行微压痕实验 ，对样品的表面纳米硬度进行了测试 。同时 ，还通过该仪器的原子力成像功能对实验区域扫描 成像 ，在纳米尺度下观察和分析形貌 。结果表 明：单晶硅在 氮离子注入前后 的纳米硬度值与载荷有很大关系。通过对微 压痕和原子力 图像的分析 ，表明单 晶硅在氮离子注入后的纳米硬度值有所 降低 ，其主要原因是氮离子注入后 导致晶格抵 妊 抗变形的能力 降低。
２ ｏｅｅｏ Ｍａ ｒ ｓ ｃｅｃ ｄＥ ｇ ｅｒ ｇ Ｃ ｉ ｎｖｒ ｔ ｏ Ｍｉｉ ｄＴ ｃｎ ｌ ，ｕｈｕＪ ｎｓ ２０ ８ Ｃ ｉ ） ．Ｃ ｌ ｇ ｆ ｔ ａ ｉｎｅａ ｎ ｉ ｅ ｎ ，ｈｎ Ｕ ｉ ｓ ｙ ｆ ｎｎ ａ ｅｈ ｏ ｇ Ｘ ｚｏ ｉ ｇｕ２ １０ ，ｈｎ ｌ ｅｌ Ｓ ｉ ｎ ｎ ｉ ａ ｅ ｉ ｇｎ ｏ ｙ ａ ａ
单晶硅微桥式梁力学性能的弯曲测试
确 的评 价。 应用光刻等技术加工了六组不同尺寸 的微 桥式 梁试 件 ， 并进 行了弯曲测试 ， 梯形截面的试件可代表矩形 、 方形等截 面的常 见微 梁。弯曲测试选用 的纳米压痕法适用于 弹塑性材 料 ， 且可 同时获取 弹性 模量 、 硬度和弯 曲强度等多种力学性 能参
数 。实 验测 得 单 晶硅 的平 均 弹性 模 量 为 （ ７ ． ９ 士 ２ ４ ５ ） ａ 没 有 呈 现 尺 寸效 应 ； 曲 强 度 在 ３ ２ ～ １ ． ５ Ｐ １０ ２５ ． ８ ０ＧＰ ， 弯 ． ４ ０ １ Ｇ ａ范 围 内 变
２ ０ 年 ２月 ０６
单 晶硅 微 桥 式梁 力 学性 能 的 弯 曲测 试
韩 光平ｈ 刘 凯 王 秀红
（ 安理工大学 西 西 安 ７ ０ ４ ） １ ０８
（ 州航 空 工 业 管 理 学 院 郑
郑州
４０１） ５０ ５
摘要Biblioteka 微梁是微 电子机械 系统 （ ＭＳ 中常见 的结构 ， ＭＥ ） 单晶硅是 ＭＥ ＭＳ最基本 、 最常用 的材料之一 ， 材料力学性能需要精 其
Ｐｒ ｐｅ ｔｅ ｏ ｒｉｓ
Ｈａ ａ ｇｐｉ ｇ ・ ｎ Ｇｕ ｎ ｎ Ｌｉ ｉ ｕ Ｋａ Ｗ ａ ｇ Ｘｉ ｏ 。 ｎ ｕｈ ｎｇ
（ ’ｎＵｎｖ ｒｉ ｆ Ｔ ｃ ｎ ｌ ｙ Ｘ ’ｎ ７ ０ ４ ， ｈｎ ） Ｘｉ ｉｅｓ ｙｏ ｅ ｈ ｏｏ ， ｉ １ ０ ８ Ｃ ｉａ ａ ｔ ｇ ａ
２ Ｚｈ ｎ ｈ ｕＩ ｓｉｕｅｏ ｒ ｎ ｕ ｉａ ｎ ｕ ｔｙ Ｍ ａ ａ ｅ ｎ ・Ｚｈ ｎ ｈ ｕ ４ ０ １ ， ｉａ （ ｅ ｇｚ ｏ ｎ ｔ ｔ ｊ Ａｅｏ ａ ｔ ｌＩ ｄ ｓｒ ｎ ｇ ｍｅ ｔ ｔ ｃ ｅ ｇｚ ｏ ５ ０ Ｃｈｎ ５
纳米尺度力学测量实验报告
纳米尺度力学测量实验报告实验一：AFM纳米尺度力学测量在本实验中，我们将使用原子力显微镜(AFM)来进行纳米尺度的力学测量。
AFM是一种高分辨率的显微镜，能够对物体表面进行原子级的探测和成像。
利用AFM的探针可以实现对纳米尺度材料的力学性质的测量，包括硬度、弹性模量等参数。
本实验旨在通过AFM技术，了解纳米尺度力学测量的原理及方法。
实验材料和仪器在本实验中，我们使用了一块硅晶片作为样品，并使用了一台商用的AFM仪器。
AFM仪器由扫描探针、扫描台和数据采集系统构成。
扫描探针是AFM的核心部件，负责在样品表面进行悬空扫描，利用探针与样品之间的相互作用力来测量样品的表面形貌和力学性质。
实验步骤1. 准备样品：将硅晶片固定在扫描台上，保证样品表面平整干净。
2. 启动AFM仪器：打开AFM仪器的电源，调节探针至合适的位置和角度。
3. 进行扫描：通过AFM仪器控制软件设置扫描参数，启动扫描过程。
探针在样品表面进行悬空扫描，记录表面拓扑信息。
4. 力谱测量：选择合适的力谱测量模式，对样品进行力学性质的测量。
根据探针在样品表面的变形情况，计算出样品在纳米尺度下的力学参数。
实验结果与分析通过AFM测量，我们得到了硅晶片在纳米尺度下的力学性质数据。
根据力谱测量曲线，我们可以得到样品表面的硬度、弹性模量等参数。
实验结果表明，在纳米尺度下，硅晶片表现出较高的硬度和弹性模量，这与其微观结构和化学成分密切相关。
实验结论本实验利用AFM技术对硅晶片进行了纳米尺度的力学测量，得到了样品在纳米尺度下的力学性质参数。
通过实验，我们进一步认识了纳米尺度下物体的力学特性，为纳米尺度力学研究提供了重要的实验数据。
希望通过本实验，同学们能够加深对纳米尺度力学测量的理解，为未来的科学研究奠定基础。
实验感想本实验是一次很有趣的实践活动，通过自己动手进行AFM测量，深刻感受到了纳米尺度下物体的微观特性。
在实验过程中，遇到了一些困难和挑战，但通过不断的实践和思考，最终取得了令人满意的实验结果。
单晶硅 多晶硅 力学
单晶硅多晶硅力学1 单晶硅的力学性能单晶硅是一种高纯度的非金属材料，其晶体结构类似于钻石。
单晶硅具有非常优异的力学性能，具体表现在以下几个方面。
1.1 抗拉强度和断裂韧性单晶硅的抗拉强度非常高，可以达到1.6GPa以上。
同时，单晶硅的断裂韧性也比较好，通常为0.9-1.0MPa·m1/2。
这些性能使得单晶硅成为一种理想的微机电系统（MEMS）材料，能够承受高的机械应力和不同的热力环境。
1.2 压电效应单晶硅还具有压电效应，即在外加电场或机械应力下，会产生电荷分布和电势差。
这种特性使得单晶硅可以用于传感器、闸门和执行机构等领域。
1.3 弹性模量和泊松比单晶硅的弹性模量通常为130-190GPa，泊松比为0.21-0.24。
这些性能使得单晶硅可以作为微结构的薄膜材料和微弹性元件的材料。
2 多晶硅的力学性能多晶硅是由许多晶粒组成的一种材料，晶粒之间的取向不同。
多晶硅的力学性能与单晶硅有很大的不同。
2.1 强度和断裂韧性相对于单晶硅，多晶硅的强度要低得多，只有300-400MPa。
断裂韧性也相对较低，通常在0.2-0.4MPa·m1/2之间。
因此，多晶硅在MEMS领域的应用受到一定限制，通常只用于一些较低要求的元器件。
2.2 疲劳性能多晶硅的疲劳性能比单晶硅差，容易出现疲劳裂纹和断裂。
这是因为多晶硅中的晶粒会在应力下发生滑移和旋转，导致材料中出现微观裂纹，最终导致断裂。
2.3 弹性模量和泊松比多晶硅的弹性模量通常为150-180GPa，泊松比为0.22-0.26。
相比于单晶硅，多晶硅的弹性模量要低得多。
3 单晶硅和多晶硅的比较从上面的分析可以看出，单晶硅和多晶硅的力学性能有很大的差别。
单晶硅的强度和断裂韧性等性能明显优于多晶硅，但是单晶硅的制造过程比较复杂，成本也较高。
相反，多晶硅的制造比较简单，并且价格较低，但是其强度和断裂韧性等性能相对较低。
因此，在不同的应用场合中，需要根据实际情况选择不同的材料。
单晶硅纳米力学性能的测试
Abstract : The testing met hods for nano mechanic p roperties of material s widely used in machining in micro2nano scale , M EMS/ N EMS , bio medical engineering , material sciences etc. are researched and t he main p rinciple and met hods of nanoindentatio n technology are analyzed. By a fo ur2sided Vickers diamo nd indenter wit h a sharpened tip , t he nanoindentatio n experiment s are undertaken to test t he single crystal silico n o n (100) crystal surface wit h t he help of a nanoindentatio n tester . Experiment s show t hat t he brittle crack is occurred aro und t he nanoindentatio n zo ne o n silico n surface when t he maximum load of indentatio n is 1 000 mN . However , t he crystal silico n shows plastic p ropert y when t he maximum load of indentatio n is below 80 mN . Moreover , t he hardness test of t he crystal silico n wit h different loads is carried o ut , and t he testing result s show t hat t he hardness is quite different in different loads. It is explained t hat t he appeared p heno meno n may co me f ro m t he p hase t ransformatio n
单晶硅纳米压痕过程的有限元模拟与实验验证
M EMS器件与技术M EMS Device&Technology单晶硅纳米压痕过程的有限元模拟与实验验证陈 樟1,2,苏 伟2,万 敏1(1.北京航空航天大学机械工程及自动化学院,北京 100083;2.中国工程物理研究院电子工程研究所,四川 绵阳 621900)摘要:采用商用有限元软件ABAQU S建立了单晶硅纳米压痕过程的2D轴对称模型,通过分析模拟得到载荷-位移曲线,讨论了压头尖端半径、压头与样品间的摩擦系数对压痕过程的影响规律。
为了验证模拟结果的有效性,用美国Hysit ron公司的Triboindenter纳米压痕仪进行了实验。
由仿真结果可知,在固定压深的条件下,增大压头尖端半径,所需施加的载荷增加,弹性回复程度增加。
而摩擦系数的改变对压痕过程影响不大,可以在模拟中忽略不计。
对比仿真曲线和实验曲线,实验曲线在卸载段55nm处出现了一明显拐点,使得其弹性回复程度远大于模拟的结果。
这是由于高压诱导的相变导致了单晶硅纳米压痕过程中出现了复杂的本构关系,而有限元软件中还没有如此复杂的本构关系模型。
关键词:纳米压痕;有限元模拟;微纳米技术;微纳尺度;相变中图分类号:O242.21;TN304.12 文献标识码:A 文章编号:1671-4776(2009)02-0104-04FEM Simulation and Experiment V erif ication of the MonocrystalSilicon N anoindentation ProcessChen Zhang1,2,Su Wei2,Wan Min1(1.S chool of Mechanical Engineeri ng and A utomation,B ei hang Universit y,B ei j ing100083,China;2.I nstitute of Elect ronic Engineering,China A cadem y of Engineering Physics,Miany ang621900,China)Abstract:2D axisymmetric finite element model(FEM)was established for monocrystal silicon nanoindentation p rocess wit h commercial finite element software package ABAQU S.The effect of the indenter tip radius and the friction coefficient between the nano2indenter and sample material on the nanoindentation process were discussed by analyzing t he load2displacement curves f rom simulation.The experiment s were made wit h Triboindenter of Hysit ron,Inc.to verify t he effectiveness of simulation result s.For a given indentation dept h,t he applied load and elastic recovery increases wit h a tip radius increasing.The change of friction coefficient influences quite little on indenta2 tion p rocess,which is ignored during t he paring t he simulation and experiment curves,an obvious elbow is discovered in experimental curves,because of p hase t ransformation induced by high pressure,which causes complex constit utive relations during nanoindentation for which FEM hasn’t t his model.K ey w ords:nanoindentation;finite element simulation;micro/nano technology;micro/nano scale;p hase t ransformationEEACC:6185;6220收稿日期:2008-10-09E2m ail:czcaep@0 引 言力学性能是评价材料质量的主要指标,也是进行设计与计算的主要依据[1]。
单晶硅 弯曲强度 -回复
单晶硅弯曲强度-回复单晶硅是一种具有高纯度和晶体结构完美的硅材料，具有许多重要的应用领域。
其在光电子、微电子、太阳能等行业得到广泛应用。
其中，单晶硅的弯曲强度是一个重要的物理性质，直接影响到其在工程中的可靠性和稳定性。
本文将详细介绍单晶硅的弯曲强度，从基本概念到测试方法，一步一步回答读者的问题。
1. 什么是单晶硅弯曲强度？单晶硅的弯曲强度是指在外力作用下，单晶硅试样的抗弯程度。
简单来说，它衡量了单晶硅在弯曲加载下的抗变形能力和断裂强度。
弯曲强度是一个重要的力学参数，可以衡量材料的韧性和可靠性。
2. 单晶硅的弯曲强度与其结构有何关系？单晶硅由于其完美的晶体结构和高纯度，具有优秀的力学性能。
其弯曲强度与晶格结构的完整性和晶界的缺陷密切相关。
晶界缺陷是指晶体中晶格方向、晶格常数和晶体结构的突变部分。
晶界缺陷存在于材料的晶界或晶界内。
这些缺陷会影响单晶硅的弯曲强度，因为它们在外力加载时可能成为断裂点。
3. 如何测试单晶硅的弯曲强度？测试单晶硅的弯曲强度通常使用三点弯曲试验方法。
测试流程如下：第一步：准备单晶硅试样。
常用的试样形状包括矩形、圆形等。
试样的尺寸和形状应根据具体需求设计，并严格按照相关标准进行加工制备。
第二步：加装试样。
将试样放置在测试装置上，使其位于两个支撑点之间，并确保试样的表面平整。
第三步：施加力。
用压力加载系统逐渐施加力，使试样发生弯曲。
同时，可以通过应变计等测量设备监测试样的变形情况。
第四步：记录数据。
在加载的过程中，记录试样的负载和位移等数据。
在试样达到断裂点或指定的载荷时停止加载。
第五步：计算结果。
根据采集到的数据，计算出单晶硅的弯曲强度。
4. 单晶硅弯曲强度的影响因素有哪些？单晶硅的弯曲强度受到多个因素的影响，包括晶格结构完整性、晶界缺陷、试样尺寸、测试速率、温度等。
晶格结构的完整性越高，晶界缺陷越少，单晶硅的弯曲强度越高。
此外，试样尺寸越大，弯曲强度通常越低；测试速率越快，弯曲强度通常越低；在高温下，单晶硅的弯曲强度通常会降低。
连续刚度法对单晶硅片的力学性能的表征
硅酸盐学报· 1484 ·2007年连续刚度法对单晶硅片的力学性能的表征孙玉利，左敦稳，朱永伟，徐锋，王珉(南京航空航天大学机电学院，南京 210016)摘要：利用纳米压痕仪通过连续刚度测量法对单晶硅片在压入过程中的接触刚度、硬度、弹性模量进行了连续测量。
结果表明：当接触深度在20～32nm左右时，单晶硅片的接触刚度与接触深度成直线关系，硬度和弹性模量基本保持不变，此时所测得的是单晶硅片表面氧化层的硬度和弹性模量，分别约为10.2GPa和140.3GPa。
当接触深度在32～60nm左右时，单晶硅片的接触刚度与接触深度成非直线关系，硬度和弹性模量随接触深度急剧增加，表明单晶硅片表面氧化层的硬度和弹性模量受到了基体材料的影响。
当接触深度在60nm以上时，单晶硅片的接触刚度与接触深度成直线关系，硬度和弹性模量基本保持不变，测得值为单晶硅的硬度和弹性模量，分别约为12.5GPa和165.6GPa。
关键词：连续刚度法；单晶硅片；纳米压痕；力学性能中图分类号：TQ302.3 文献标识码：A 文章编号：0454–5648(2007)11–1484–04MECHANICAL PROPERTIES OF SILICON WAFER CHARACTERIZED BY CONTINUOUSSTIFFNESS MEASUREMENT TECHNIQUESUN Yuli，ZUO Dunwen，ZHU Yongwei，XU Feng，WANG Min(College of Mechanical and Electrical Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, China)Abstract: The contact stiffness, hardness and elastic modulus of silicon wafers were continuously measured during the loading por-tion of an indentation test by a nanoindenter apparatus with the continuous stiffness measurement technique. The results show that when the contact depth is 20–32nm, the relationship of the contact stiffness of the oxide coating on the surface of the silicon wafer with the contact depth is linear, and the hardness and elastic modulus remain constant at 10.2GPa and 140.3GPa respectively. When the contact depth is 32–60nm, the relationship of the contact stiffness with the contact depth is not linear, and the hardness and elastic modulus increase rapidly with the contact depth. It is shown that the hardness and elastic modulus of the oxide coating on the surface of silicon wafer are affected by the bulk material. When the contact depth is over 60nm, the relationship of the contact stiffness of the silicon wafer, e.g., the bulk material, with the contact depth again is linear, and the hardness and elastic modulus stay constant at 12.5 GPa and 165.6GPa, respectively.Key words: continuous stiffness measurement; silicon wafer; nanoindentation; mechanical property集成电路是现代信息产业的核心，是推动国民经济和社会信息化发展最主要的高新技术之一，也是改造和提升传统产业的核心技术，但制造集成电路的硅片，不仅要求具有极高的平面度和极小的表面粗糙度，而且要求表面无变质层、无划伤。
单晶硅纳米梁杨氏模量的弯曲测试_英文_
第7卷 第4期2009年7月纳 米 技 术 与 精 密 工 程Nanotechnology and Prec isi on Eng i n eer i n g Vol .7 No .4Jul . 2009Bendi n g Test of Young ′sM odulus of Cryst alli n e Sili conNano 2BeamD I Xiao 2xiao ,Y U Hong(Key Laborat ory of M E MS of M inistry of Educati on,Southeast University,Nanjing 210096,China )Abstract:To study the mechanical perf or mance of the nano 2bea m s,double 2cla mped silicon nano 2bea m s were fabricated based on silicon 2on 2insulat or (S O I )wafer .The Young ′s modulus of silicon nano 2bea m on 〈100〉directi on was measured by bending test method using an at om ic f orce m icr oscope (AF M ).AF M cantilever p r obe is put at the centre of bea m and p resses the bea m ,and then the beam begins t o bend .There is a turning point in the p r ocess of bending .After the point,the bea m is p ressed on the bott om sili 2con of S O Iwafer .The data before turning point can be used t o calculate the sl ope of f orce 2dis p lace ment curve and the data after turning point t o calculate the p r obe sensitivity .The experi m ental values are 01792N /m and 81183nm /V,res pectively .The final measured Young ′s modulus is 104GPa,which is s maller than that of bulk silicon .Surface stress and defects are considered as the reas ons which affect the Young ′s modulus of the nano 2bea m.Keywords:nano 2electr o 2mechanical syste m (NE MS );Young ′s modulus;bending test;double 2cla mped bea m单晶硅纳米梁杨氏模量的弯曲测试邸晓晓,于 虹(东南大学M E MS 教育部重点实验室,南京210096)摘 要:为研究纳米梁的力学特性,采用S O I 晶圆制备了硅双端固支梁纳米梁,利用典型的原子力显微镜(AF M )弯曲测试方法测试了硅纳米梁〈100〉晶向的杨氏模量.AF M 悬臂探针定位在纳米梁的中点处向下移动,纳米梁受到挤压发生弹性形变,形变过程存在一个最大形变点,在该点后,纳米梁被挤压在S O I 硅片底层硅上.最大形变前的测试数据用于计算力2位移曲线斜率,最大形变后的测试数据用于计算探针的灵敏度,其实验值分别为01792N /m 和81183n m /V.最终得到的杨氏模量为104GPa,该值小于体硅的杨氏模量,表面应力和缺陷可能是导致实验值偏小的原因.关键词:纳机电系统;杨氏模量;弯曲测试;双端固支梁中图分类号:T N402;T N403 文献标志码:A 文章编号:167226030(2009)0420324204 收稿日期:2008212215.基金项目:国家重点基础研究发展计划(973)项目(2006CB300404);国家高技术研究发展计划(863)项目(2007AA04Z301).作者简介:邸晓晓(1982— ),男,硕士研究生,dixiaoxiao@hot m ail .com.通讯作者:于 虹,副教授,h yu@seu .edu .cn . Nano 2electr o 2mechanical syste m (NE MS )is a ne wtechnol ogy domain based on m icr o 2electr o 2mechanical syste m (ME MS ).NE MS devices have m inor scales,ul 2tra high frequency and ultra l ow power consump ti on[124].There are many studies on mechanical perf or mance of NE MS devices,f or exa mp le,Young ′s modulus of silicon nano 2bea m s[526].But the experi m ental results are differ 2ent fr om each other,with s ome even contrary t o the oth 2 2009年7月邸晓晓等:单晶硅纳米梁杨氏模量的弯曲测试(英文) ers.This may be because it is difficult t o dep ict the nano device behavi ors in macr o conditi ons.Theref ore measure2 ment technol ogy f or nano scale devices becomes i m portant in exp l oring NE MS m icr o effect.Double2clamped silicon nano2bea m is the basic structure of sens ors and m ixers in NE MS.Fabricating the nano2bea m and studying its mechanical p r operties hold great p ractical value.For nano scale of bea m structure,it is crucial t o fabricate high quality nano2bea m[7210].Elec2 tr onic2bea m(E B)direct writing is often considered as the best way.This paper p resents an app r oach which uses a C MOS standard p r ocess and is compatible with I C p r ocess.The size of the nano2bea m is s o s mall that its mechanical p r operties cannot be measured by traditi onal stretch or t w ist experi m ent.W ith high2res oluti on p r obing equi pment,such as at om ic force m icr oscope(AF M),it becomes easier t o test the mechanical p r operties of the nano2bea m[11213].This paper intr oduces a bending test u2 sing AF M scanning p r obe syste m t o measure the Young′s modulus[14215].Young′s modulus of the double2cla mped silicon nano2bea m on〈100〉directi on is obtained by the bending test.Measured data are compared with those si m ulated by Ansys s oft w are.1 M a ter i a l and exper i m en t a l procedures111 Prepara ti on of spec i m en sSilicon nano2bea m s are fabricated fr om a silicon2on2 insulat or(S O I)wafer with a t op silicon layer of200nm thick and an oxide layer of350n m.The first step of the fabricati on p r ocess is defining the pattern of NE MS re2 s onat ors ont o S O I wafer by op tical lithography.Then re2 active i on etching(R I E)is used t o etch the Si layer and silicon di oxide sacrificial layer.Heavily doped p2type lay2 er is then f or med in the anchor regi on,f oll owed by s put2 tering and etching layers of20n m Ti and600nm A l.Fi2 nally,the nano2structure is released by undercutting the silicon di oxide sacrificial layer with buffered oxide etcher (BOE).Fabricati on p r ocess is shown in Fig.1.SE M and m icr oscope phot ographs of released bea m are shown in Fig.2.It is clear that the bea m is released t otally and there is no adhesi on phenomenon.112 Pr i n c i ple of bend i n g testYoung′s modulus is used t o evaluate material′s re2 sistance t o elastic defor mati on.To obtain the Young′s modulus of the nano2bea m by experi m ent,a f orce is often app lied t o the bea m,which makes the bea m def or m with2 in elasticity range.By measuring the relati onshi p bet w een f orces and dis p lace ments,Young′s modulus is obtained by the exp ressi on as f oll ows: E=S l3192I(1) where S is the sl ope of the f orce2dis p lace ment curve;l is the length of bea m;I is the moment of inertia for the bea m cr oss2secti on.The moment of inertia is given by I=w21+4w1w2+w2236(w1+w2)t3(2)where t is the thickness of the bea m;w1and w2are the t op and bott om widths of the bea m,res pectively.・523・ 纳 米 技 术 与 精 密 工 程第7卷 第4期 I n this experi m ent,an AF M is used t o app ly thef orce t o the bea m.The whole test syste m is sho wn in Fig.3.AF M cantilever p r obe works in contact model and exertsforce continuously on the bea m till the bea m is bent.Then the cantilever p r obe is released at the sa me rate,s owe can receive t w o curves,one is p ressing2down curveand the other is releasing curve.Only p ressing2downcurve is of significance while releasing curve can be ig2nored.Data obtained by AF M test syste m show the rela2ti onshi p bet w een the deflecti on voltageΔV A F M and p iez oe2lectric cera m ic dis p lace ment D p iezo.To obtain the sl ope offorce2dis p lace ment curve S,we need t o convert this rela2ti onshi p int o the f orce2dis p lace ment(F2D)curve of thenano2bea m.Since the dis p lace ment is the actual bea mbending in the f orce directi on,it equals the margin be2t w een the p iez oelectric cera m ic dis p lace ment D p iezo andthe cantilever bending dis p lace ment D tip.So F and D aregiven by F=Ftip=D tip k=ΔV A F M m k(3) D=Dp iezo-D tip=D p iezo-ΔV A F M m(4)where k is the elastic constant of AF M cantilever;m isthe p r obe sensitivity,which can be calculated fr om thep ressing2down curve by m=D p iezoΔVAF M(5)F i g.3 Sche ma ti c of AF M bend i n g test2 Results and d iscussi onI n this experi m ent,the size of the nano2bea m is15μm×012μm×012μm.The high length2t o2width andlength2t o2thickness rati os ensure that it f oll ows linear elas2 tic theory of the is otr op ic materials.Fig.4shows the de2 flecti on voltage versus p iez oelectric cera m ic dis p lace2 ment.W ith the bea m bending increasing,the deflecti on voltage increases until the value reaches the maxi m u m5V.Then the f orce decreases gradually,s o that the bea m bending decreases and the releasing curve is obtained.A s menti oned above,we only study the p ressing2do wn curve.I n Fig.4(a),there is a turning point.The sl ope of curve on the left side of turning point is different fr om that on the right side.Turning point means that the bea m has already been p ressed t o the bott om of S O Iwafer,after which the cantilever ti p acts like p ressing on a hard mate2 rial,s o the curve on the left side of turning point can be used t o calculate the p r obe sensitivity m by Eq.(5). The curve on the right side of turning point is used t o cal2 culate Fand D by Eqs.(3)and(4)res pectively.F i g.4 Force curves of the sili con nano2beam fro mAF M test syste mFig.5(a)sho ws the F2D relati onshi p obtained by Eqs.(3)and(4).Here,m and k are81183nm/V and 0165N/m,res pectively.The si m ulati on result by Ansys s oft w are analysis is shown in Fig.5(b).Both curves are fitted by the least2squares method.For Ansys analysis, we use Young′s modulus of bulk silicon on〈100〉direc2 ti on.The sl opes of curves are01792N/m and01975N/ m,res pectively,and the difference is within8%. Young′s modulus can be calculated by Eqs.(1)and (2).For the silicon nano2bea m on〈100〉directi on,the measured Young′s modulus is104GPa.Young′s modulus obtained by our experi m ent is a lit2 tle s maller than that of bulk silicon.Stress is one of the・623・ 2009年7月邸晓晓等:单晶硅纳米梁杨氏模量的弯曲测试(英文)F i g.5 F2D curves of the nano2beampossi ble reasons t hat affect t he Young′s modulus of the nano2beam.Surf ace st ress may be brought by di fferent fabri cati on processes and has effect on t he str a i n of the nano2beam,and furt her on t he Young′smodulus.Surf ace defect is considered as another reas on t o i m pact on Young′smodulus since the size of the bea m is very s mall.3 Conclusi on sI n this paper,double2cla mped silicon nano2bea m with di m ensi on of15μm×012μm×012μm is fabri2 cated fr om S O Iwafer.Bending test is carried out by AF M t o obtain the Young′s modulus of the silicon nano2bea m. On〈100〉directi on,the measured Young′s modulus is 104GPa,s maller than that of bulk silicon.Surface stress and defects are considered as the reas ons which may af2 fect the Young′s modulus of the nano2bea m.References:[1] ZhangW,Zhou Z,Hao Y,et al.Present situati on and de2vel op ing tendency of NE MS[C]//I ST M6th InternationalSym posium on Test and M easure m ent.Dalian,China,2005,3:226522267.[2] Sandra H.ME MS T oday,NE MS T omorr ow[E B/OL].ht2t p://www.nanoelectr onics p /nanochannels/cir2cuit/A rticle,2002.[3] Craighead H G.Nanoelectr omechanical syste m s[J].Sci2ence,2000,290(24):153221535.[4] Zheng Cui,Gu Changzhi.Nanofabricati on challenges forNE MS[C]//Proceedings of the1st IEEE International Con2 ference on N ano/M icro Engineered and M olecular Syste m s.Zhuhai,China,2006,1:6072610.[5] Carr S M,W ybourne M N.Elastic instability of nanome2chanical bea m s[J].A ppl Phys L ett,2003,82(5):7092 711.[6] L i X,Bhushana B,Takashi m ab K,et al.Mechanical char2acterizati on of m icr o/nanoscale structures for ME MS/NE MSapp licati ons using nanoindentati on techniques[J].U ltram i2 croscopy,2003,97(1/2/3/4):4812494.[7] Carr D W,Craighead H G.Fabricati on of nanoelectr ome2chanical syste m s in single crystal silicon using silicon on in2sulat or substrates and electr on beam lithography[J].Jour2 nal of V acuum Science and Technology B,1997,15(6):276022763.[8] V illanueva G,Montserrat J,Perez2Murano F,et al.Sub m i2cr on p iezoresistive cantilevers in a C MOS2compatible tech2 nol ogy for inter molecular force detecti on[J].M icroelectronicEngineering,2004,73/74:4802486.[9] Toriyama T,Sugiya ma S.Single crystal silicon p iezoresistivenano2wire bridge[J].Sensors and A ctuators A,2003,108(1/2/3):2442249.[10]Toriyama T,Tani m ot o Y,Sugiya ma S.Single crystal siliconnano2wire p iezoresist ors for mechanical sens ors[J].Journalof M icroelectro m echanical Syste m s,2002,11:6052611. 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单晶硅杨氏模量
单晶硅杨氏模量单晶硅是一种晶体结构完美、几何形态规则的纯度极高的半导体材料，在半导体器件制造中具有重要的应用价值。
在硅晶体力学研究中，杨氏模量是一个重要的物理量，表示的是物体在拉伸或压缩过程中单位面积的形变应力与形变的比值，是实验研究硅单晶材料性质的基础。
本文主要讨论单晶硅杨氏模量的测量及其相关研究进展。
单晶硅杨氏模量的测量早期主要采用声速法，即利用超声波在晶体中的传播特性来测量其杨氏模量。
这种方法测量简便、精度高，而且可以不破坏晶体表面，因此在实际应用中被广泛采用。
然而，声速法在一些情况下存在一定的局限性。
比如，在一些超声波难以穿透的材料中，采用声速法可能面临较大的误差；此外，在某些情况下，使用超声波传输介质（如水）可能对晶体产生影响，影响杨氏模量的测量精度。
近年来，除了声速法之外，还涌现出一系列新的测量方法。
例如，采用光学显微镜观察晶体表面斑纹的方法可以测量晶体甚至纳米级别的表面形变，并据此反推出杨氏模量；另一种方法是采用扫描探针显微镜测量晶体纳米级别的表面形变，从而获得杨氏模量。
2. 单晶硅杨氏模量的实验测量结果根据已有实验数据，单晶硅杨氏模量通常在165-190 GPa之间波动，具体数值取决于晶体中的缺陷、晶体结构等因素。
例如，一项近期的实验研究表明，Czochralski法生长的单晶硅杨氏模量为168 GPa，而线拉法生长的单晶硅杨氏模量为185 GPa。
此外，还有研究表明，单晶硅的杨氏模量与其热处理历史、取样方向等因素相关。
例如，一项研究发现，经过电化学腐蚀处理的单晶硅的杨氏模量要显著高于未经处理的单晶硅；另一项实验发现，不同取样方向的单晶硅杨氏模量有所差异，其中（100）面方向的单晶硅杨氏模量最小，而（111）面方向的单晶硅杨氏模量最大。
除了实验测量，在理论计算方面也有许多研究探索单晶硅的杨氏模量。
理论计算主要采用密度泛函理论（DFT）等计算方法，通过计算晶体中的原子位置、结构等信息来预测材料的力学性质。
掺杂硅纳米梁谐振频率的理论模型及分子动力学模拟
掺杂硅纳米梁谐振频率的理论模型及分子动力学模拟马霞;王静【摘要】通过理论计算与模拟,研究分析了P元素替代掺杂单晶硅纳米梁的谐振频率.计算模拟了两端固支单晶硅纳米梁的谐振频率随尺寸、掺杂浓度与温度的变化.通过对计算结果与模拟结果的分析得到:单晶硅纳米梁的谐振频率随着硅纳米梁长度尺寸的增大而减小;硅纳米梁的谐振频率随着掺杂浓度的增大而增大,但变化趋势并不明显;最后考虑了温度效应,发现掺杂硅纳米梁的谐振频率随着温度的增大而减小,但从谐振频率的数值来看,硅梁的谐振频率随温度的变化趋势并不明显,即温度对硅梁谐振频率基本无影响.由此得出结论:掺杂浓度与温度对硅纳米梁谐振频率的影响很小,影响单晶硅纳米梁谐振频率的主要因素是尺寸大小,掺杂单晶硅纳米梁的谐振频率具有尺寸效应.%With the rapid development of nanoelectromechanical system technologies,silicon nanostructures have attracted considerable attention for the remarkable mechanical properties.A number of studies have been made on the mechanical properties through theoretical analysis,atomistic or molecular dynamics and experiments.In this paper,the resonance frequency of the doping silicon nano-beam is investigated by a theoretical model based the semi-continuum approach to achieve the goal of accurately capturing the atomistic physics and retaining the efficiency of continuum model.The temperature dependence of the resonance frequency of the nanostructure is important for application design,which is considered by the Keating anharmonic model used to describe the strain energy at finite temperature.The resonance frequencies are also simulated by themolecular dynamics at different temperatures.The studies indicate that the resonance frequency of the P doped silicon nano-beam is influenced by the size,the doping concentration and the temperature.The results show that the resonant frequency decreases with the increase of the length of the beam,and increases with the increase of the doping concentration of the silicon nano-beam.The resonant frequency of silicon nano-beam decreases with the increase of temperature,but the changes of the resonant frequency is not obvious.The doping concentration has a little effect on the resonance frequency of the silicon nano-beam.The conclusion can be drawn that neither the effect of doping concentration nor the effect of temperature on resonant frequency of the silicon nano-beam is obvious,the size is a major factor influencing the resonance frequency of the silicon nano-beam.【期刊名称】《物理学报》【年(卷),期】2017(066)010【总页数】8页(P243-250)【关键词】单晶硅纳米梁;谐振频率;掺杂;温度【作者】马霞;王静【作者单位】新疆大学物理科学与技术学院,乌鲁木齐830046;新疆大学物理科学与技术学院,乌鲁木齐830046【正文语种】中文通过理论计算与模拟,研究分析了P元素替代掺杂单晶硅纳米梁的谐振频率.计算模拟了两端固支单晶硅纳米梁的谐振频率随尺寸、掺杂浓度与温度的变化.通过对计算结果与模拟结果的分析得到∶单晶硅纳米梁的谐振频率随着硅纳米梁长度尺寸的增大而减小;硅纳米梁的谐振频率随着掺杂浓度的增大而增大,但变化趋势并不明显;最后考虑了温度效应,发现掺杂硅纳米梁的谐振频率随着温度的增大而减小,但从谐振频率的数值来看,硅梁的谐振频率随温度的变化趋势并不明显,即温度对硅梁谐振频率基本无影响.由此得出结论∶掺杂浓度与温度对硅纳米梁谐振频率的影响很小,影响单晶硅纳米梁谐振频率的主要因素是尺寸大小,掺杂单晶硅纳米梁的谐振频率具有尺寸效应.PACS∶61.72.uf,62.25.—g,81.40.Jj DOI∶10.7498/aps.66.106103随着纳机电系统(NEMS)的研究和发展,其在很多领域有了越来越多的应用,如超高精度传感器[1]、超大规模传感器[2−4]、开关[5]、高频谐振器等[6].作为基础结构的单晶硅纳米梁,其力学性能如杨氏模量和谐振频率的研究是非常重要的,受到了众多研究人员的重视.文献[7]在2003年就已在实验上测量得到了超薄硅悬臂梁的杨氏模量及谐振频率的尺寸效应;基于Sun和Zhang[8]提出的计算简单立方晶格杨氏模量的半连续模型,Bao等[9,10]研究了硅纳米的载荷挠度与谐振频率;2008年,Wang等[11]用半连续模型计算研究了温度以及厚度对单晶硅纳米薄膜杨氏模量的影响;2015年,吕焕玲和王静[12]用基于Keating形变势的半连续体模型研究了掺杂浓度与厚度对单晶硅纳米薄膜的杨氏模量的影响.此外,一些研究人员用分子动力学方法研究了硅纳米结构的力学特性,如Gong等[13]用分子动力学模拟研究了硅纳米片的杨氏模量;Cao等[14]与Pishkenari小组[15]均用分子动力学方法模拟计算了硅纳米线的谐振频率,得到了谐振频率的尺寸效应.2016年,吕焕玲和王静[16]通过分子动力学模拟研究了300 K下掺杂浓度以及长度尺寸对掺杂硅纳米梁谐振频率的影响,发现掺杂浓度对硅纳米梁谐振频率的影响很小,而影响硅纳米梁谐振频率的主要因素是梁的尺寸.无论是从基础研究的角度,还是着眼于未来的器件应用,研究掺杂单晶硅纳米结构的力学特性具有重要的意义.本文分别采用半连续模型与分子动力学方法计算模拟了掺杂浓度、尺寸以及温度对[100]方向双端固支单晶硅纳米梁谐振频率的影响.本文研究的是磷原子替代掺杂硅晶胞体对角线四分之一处的硅纳米梁结构,掺杂磷原子的硅晶胞如图1所示.本文讨论掺杂浓度分别为30×1020,15×1020,7.5×1020,3.75×1020cm−3,横截面积S为16A×16A,长度尺寸L从40A到60A(长度尺寸变化间隔∆L=4A,其中A 为硅晶胞的晶格常数,A=5.432)的硅纳米梁在不同温度时的谐振频率.2.1 谐振频率的计算微米及以上尺寸的材料主要采用基于长波假设的连续介质模型研究材料的物理性能,当材料的尺寸进入纳米级时,纳米尺度材料与宏观尺度材料的结构相比,纳米结构展现出了一些优异的力学效应.同时,连续介质模型已无法直接应用于纳米结构中,需要建立一种连续介质模型与原子模型相结合的模型来研究纳米尺度材料的物理性能.2003年,Sun和Zhang[8]从原子之间的相互作用力出发,建立了对简单立方晶格的杨氏模量进行研究的一种理论方法——半连续模型.半连续模型在符合长波假设的方向仍然使用连续介质模型来研究,在纳米尺寸方向从原子出发来研究.若研究对象为硅纳米梁时,半连续模型考虑的厚度与宽度方向从原子出发研究,由于长度方向连续,所以仍用连续介质模型进行研究.由半连续模型出发,文献[12]得到在体对角线四分之一处替代掺杂P原子的硅晶胞的形变能UP与纯硅晶胞的形变能USi,即其中a为每层原子的厚度;γyz为形变分量;N/m为硅原子与硅原子间的键伸缩力常数,N/m为硅原子与硅原子间的键弯曲力常数[17],=7.897×1020N/m为磷原子与硅原子间的键伸缩力常数,=1.561×1020N/m为磷原子与硅原子间的键弯曲力常数[18].当温度升高时,物体的热运动就会加剧,随之原子在平衡位置的振动幅度就会增大.由于原子在平衡位置两侧的受力本来就不对称,且受力不对称的这种情况随着温度的升高变得越来越显著,从而导致相邻原子之间的距离增加,晶体膨胀晶格常数增加.因此体系内原子与原子之间的键长发生变化,原子与原子之间的键长rij随着温度的增大而增大.由非谐Keating形变势模型[17]可知kb为键长的幂函数,kθ为键长与键夹角的幂函数,即幂函数形式如下∶其中,与rij分别表示体积未发生变化时的键长与变化之后的键长,kb0和kθ0均表示体积未发生变化的键伸缩力常数和键弯曲力常数.当考虑温度效应时,Keating形变势中的力常数也成为键长的函数.假设硅纳米梁的厚度方向与宽度方向均有N层硅晶胞,由于这两个方向的不连续性,需要从晶胞中原子的厚度出发[19],那么硅纳米梁的厚度与宽度均可表示为h=(4N+1)a.由于硅纳米梁长度方向是连续的,利用长度方向的对称性与周期性,可选择长为一个晶胞,厚度与宽度与硅梁相同的结构作为一个计算单元,则硅纳米梁计算单元的体积可表示为V=4(4N+1)2a3.当硅纳米梁的掺杂浓度为α时,硅纳米梁计算单元的形变能U可表示为将(1)式与(2)式代入(4)式可得那么硅纳米梁计算单元的形变能密度u表示为长度为L的单晶硅纳米梁在振型w(x)和频率为ω的条件下进行自由振动时,具有一定的瞬时挠度,梁的瞬时挠度公式可表示为下式[10]其中w(x)为梁的挠度函数,且其中w0为硅纳米梁中点的最大挠度值.硅纳米梁在振动过程中,不考虑其他能量耗散遵循机械能守恒,最大的动能Kmax表示为上式中,为单位长度的质量,B为硅纳米梁的宽度,ρ=2.33×103kg/m3为单晶硅纳米的质量密度[20].掺杂硅纳米梁的应变势能Ws表示为将(6)式代入(10)式得到掺杂硅纳米梁的应变势能根据机械能守恒可知WS=Kmax,即可得到下式∶由谐振频率f=ω/2π,可得到掺杂硅纳米梁谐振频率的解析式∶由谐振频率的解析式可以看出,硅梁的谐振频率随着长度尺寸的增大而减小,随着键长的增大而减小,由于键长随着温度的增大而增大,即硅梁的谐振频率随着温度的增大而减小.2.2 计算结果与讨论当掺杂浓度为7.5×1020cm−3,横截面积S=16A×16A时,不同长度硅梁的谐振频率随温度的变化曲线如图2所示,其中键长随温度的变化采用文献[21]的结果.由图可以看出,随着温度的增大,硅纳米梁的谐振频率逐渐减小,但是减小的趋势不明显,几乎呈现的是一条平线,即温度对硅纳米梁的谐振频率几乎不影响.其次,从图中还可以看出,随着硅纳米梁长度的增加,硅纳米梁的谐振频率减小,并且每个长度之间的谐振频率的数值的间隔是逐渐减小的,也就是说,硅纳米梁的谐振频率随着长度的增大而减小的趋势并不是呈现线性减小,而是随着长度的增大,硅纳米梁的谐振频率减小的趋势逐渐减小,此结果与文献[22]基于共振频率表达式拟合的理论曲线趋势是一致的.由振动频率的求解式f=1/T(T为振动周期)可知,振动频率与振动周期成反比关系,由于梁的长度越长,振动越慢,则振动的周期越大,周期越大时频率越小,所以硅梁的谐振频率随着长度的增大而减小.当长度L=60A,横截面积S=16A×16A时,不同掺杂浓度的硅纳米梁的谐振频率随温度的变化曲线如图3所示.由图3可知,当硅纳米梁的长度以及横截面积一定时,硅纳米梁的谐振频率随着温度的升高逐渐减小,但是从谐振频率的数值来看,谐振频率随着温度的增大减小的值非常小,减小的趋势基本呈线性,此结果与文献[23]所得结果的趋势相同.当温度与尺寸一定时,硅梁的谐振频率随着掺杂浓度的增大而增大,从图3中可以看到,随着掺杂浓度之间间隔的逐渐增大,不同掺杂浓度的谐振频率之间的间隔也在逐渐增大.但从(0—7.5×1020—15×1020cm−3)以及(0—15×1020—30×1020cm−3)这两个等掺杂浓度间隔的序列,可以看出同一温度且掺杂浓度间隔相同时谐振频率的增量在减小.因此,谐振频率与掺杂浓度并不是简单的线性关系,这也与谐振频率的解析(13)式所呈现的关系是一致的.3.1 建立模型分子动力学方法是一种计算机模拟实验方法,是研究凝聚态系统的有力工具.该方法不仅可以得到原子的运动轨迹,还可以观察到原子运动过程中的各种微观细节,它是对理论计算和实验的有力补充.本文应用计算机软件Material Studio(MS)中的Forcite模块通过分子动力学方法模拟分析了掺杂浓度、长度尺寸与温度对单晶硅纳米梁谐振频率的影响.分子动力学模拟的双端固支单晶硅纳米梁如图4(a)所示.按照不同的浓度与不同长度尺寸对单晶硅纳米梁进行掺杂建模,将建好的模型进行切割建立真空层,之后将一个由硅原子构建的探针形状的结构放置在纳米梁正上方并将其固定(硅探针结构也在真空层内),之后对硅纳米梁进行结构优化,由于硅探针结构与纳米梁之间存在范德瓦耳斯力,所以结构优化后硅纳米梁发生弯曲如图4(b)所示.由于优化后的硅纳米梁是弯曲的,所以将硅探针结构去掉之后分子动力学模拟的硅纳米梁做自由振动运动.在NVE系综下用模拟软件MS中的Forcite模块对不同尺寸、不同温度以及不同掺杂浓度的硅纳米梁进行分子动力学模拟,模拟时间步长设为1 fs,模拟时间为50 ps.3.2 模拟结果本文采用分子动力学方法模拟研究了掺杂浓度分别为30×1020cm−3和7.5×1020cm−3,横截面积S为16A×16A,长度尺寸L从40A到60A(长度尺寸变化间隔∆L=4A)的硅纳米梁在不同温度下的谐振频率.当硅纳米梁的横截面积S为16A×16A,通过对不同长度尺寸的单晶硅纳米梁在不同温度下进行分子动力学模拟,得到单晶硅纳米梁的谐振频率随温度的变化曲线,如图5所示.由图5可知,当掺杂浓度一定时,横截面积为16A×16A的硅纳米梁的谐振频率随着温度的增大而减小,但减小的趋势并不明显,谐振频率的值十分接近,说明温度对单晶硅纳米梁的谐振频率的影响很小;当温度一定时,硅纳米梁的谐振频率会随着长度尺寸的增加而逐渐较小,并且减小的趋势逐渐变缓,这个结果与文献[15,24]使用分子动力学模拟的硅梁的谐振频率随长度尺寸的变化趋势是一致的.文献[16]通过分子动力学模拟研究了在温度300 K,横截面积为8A×8A,长度尺寸由12A到32A的硅纳米梁的谐振频率,也得到了相同的变化趋势.通过分析长度尺寸与温度对硅纳米梁谐振频率的影响可知∶长度尺寸对硅纳米梁具有较大的影响,即掺杂单晶硅纳米梁的谐振频率与纯单晶硅纳米梁的谐振频率一样具有尺寸效应,温度对硅纳米梁的谐振频率基本无影响.由于硅纳米梁的表面存在许多悬挂键,但随着梁尺寸的增大,梁的体表比不断增大,表面的原子相对于内部原子所占比率不断减小,内部原子的相互作用越来越明显,即硅纳米梁的谐振频率会随着尺寸的变化而变化.其次,硅纳米梁的晶格常数随着温度的增大而增大[25],即硅纳米梁的尺寸随着温度的增大而增大,所以谐振频率随着温度的增大而减小.由此可知,温度并不是影响谐振频率的主要因素,而影响谐振频率的主要因素是单晶硅纳米梁的长度尺寸.关于掺杂浓度对硅纳米梁谐振频率的影响,以掺杂浓度为7.5×1020cm−3和30×1020cm−3为例,对长度为60A,横截面积为16A×16A的硅纳米梁的谐振频率随温度变化的模拟结果进行分析.图6所示为不同掺杂浓度的硅纳米梁的谐振频率随温度的变化.当硅纳米梁的尺寸一定时,不同掺杂浓度的硅纳米梁的谐振频率随温度的增大而减小,但从谐振频率的数值看,减小的趋势并不明显;当温度与尺寸一定时,硅纳米梁的谐振频率随着掺杂浓度的增大而增大,同样从谐振频率的数值看,增大的趋势并不明显.由于磷原子替代掺杂在硅晶胞的体对角线四分之一处,而磷原子半径与硅原子半径相差十分微小,所以当硅晶胞中一个硅原子被磷原子替换后,硅晶胞的结构发生微小的变化,并且磷-硅相互作用与其尺寸有关,这都会对分子动力学模拟的硅纳米梁的振动周期有影响,进而影响其谐振频率.当掺杂浓度增大时,磷-硅相互作用数量增加,甚至还存在磷-磷相互作用,所以掺杂浓度会影响谐振频率.3.3 理论计算模型与分子动力模拟结果的比较通过对硅纳米梁谐振频率的理论计算与模拟结果的分析,发现半连续模型的计算结果比分子动力学模拟结果稍大,如图7所示,理论计算与模拟的硅纳米梁谐振频率的趋势是一致的.由图7可知,随着硅纳米梁长度尺寸的增大,理论计算结果与模拟结果的差值逐渐减小,当长度为40A,掺杂浓度与温度一定时,硅纳米梁谐振频率的理论计算值与模拟值相差0.22602×1012Hz,当长度为60A时,谐振频率的计算与模拟的差值减小到0.06325×1012Hz.对硅纳米梁谐振频率进行理论计算时比较理想化,只考虑了晶胞内原子之间的相互作用.由于表面效应对硅纳米梁谐振频率具有影响,所以分子动力学模拟相对于理论计算并不是理想化的.当硅梁的尺寸较小时,体表比较小,表面效应相对于内部原子相互作用对硅梁谐振频率的影响更大,当尺寸较大时,体表比相对较大,内部原子相互作用大于表面效应,所以随着梁尺寸的增大,硅纳米梁的计算值与模拟值的差越来越小.从图7可以看出,温度对硅纳米梁的谐振频率基本无影响,而主要影响硅纳米梁谐振频率的是尺寸因素.本文主要通过半连续模型与分子动力学模拟方法,研究分析了P元素在硅晶胞体对角线四分之一处替代掺杂的硅纳米梁的谐振频率,计算模拟了两端固支硅纳米梁的谐振频率随掺杂浓度、尺寸与温度的变化.结果表明∶当掺杂浓度与温度一定时,硅纳米梁的谐振频率随着长度尺寸的增大而减小,且随着长度尺寸的增大,谐振频率减小的趋势逐渐减小;当硅纳米梁的尺寸一定时,硅纳米梁的谐振频率随着掺杂浓度的增大而增大,但变化趋势并不明显,基本不影响硅纳米梁的谐振频率;当硅纳米梁的尺寸与掺杂浓度一定时,发现掺杂硅纳米梁的谐振频率随着温度的增大而减小,但变化趋势并不明显,温度对硅梁谐振频率基本无影响.由此得出掺杂浓度与温度对硅纳米梁谐振频率的影响很小,而影响单晶硅纳米梁谐振频率的主要因素是尺寸大小,即掺杂硅纳米梁的谐振频率与纯硅纳米梁的谐振频率一样,具有尺寸效应.本文研究结果对未来纳米材料的研究与应用具有一定的参考价值.With the rapid development of nanoelectromechanical system technologies,silicon nanostructures have attracted considerable attention for the remarkable mechanical properties.A number of studies have been made on the mechanical properties through theoretical analysis,atomistic or molecular dynamics and experiments.In this paper,the resonance frequency of the doping silicon nano-beam is investigated by a theoretical model based the semi-continuum approach to achieve the goalof accurately capturing the atomistic physics and retaining the efficiency of continuum model.The temperature dependence of the resonance frequency of the nanostructure is important for application design,which is considered by the Keating anharmonic modelused to describe the strain energy atfinite temperature.The resonance frequencies are also simulated by the molecular dynamics at different temperatures.The studies indicate that the resonance frequency of the P doped silicon nano-beam is influenced by the size,the doping concentration and the temperature.Theresults show that the resonant frequency decreases with the increase of the length of the beam,and increases with the increase of the doping concentration of the silicon nano-beam.The resonant frequency of silicon nano-beam decreases with the increase of temperature,but the changes of the resonant frequency is not obvious.The doping concentration has a little effect on the resonance frequency of the silicon nano-beam.The conclusion can be drawn that neither the effect of doping concentration nor the effect of temperature on resonant frequency of the silicon nano-beam is obvious,the size is a major factor influencing the resonance frequency of the silicon nano-beam.【相关文献】[1]Huang X M H,Ekinci K L,Yang Y T,Zorman C A,Mehregany M,Roukes M L 2002Appl.Phys.Lett.81 2253[2]Yang Y T,Callegari C,Feng X L,Ekinci K L,Roukes M L 2006 Nano Lett.6 583[3]Yang Y T,Callegari C,Feng X L,Roukes M L 2011 Nano Lett.11 1753[4]Bargatin I,Myers E B,Aldridge J S,Marcoux C,Brianceau P,Duraffourg L 2012 Nano Lett.12 1269[5]Arkan E F,Sacchetto D,Yildiz I 2011 J.Micromech.Microeng.21 125018[6]Koumela A,Hentz S,Mercier D,Ollier E,Feng P X,Purcell S T 2013 Nat.Nanotech.24 435203[7]Li X X,Ono T,Wang Y,Esashi M 2003 Appl.Phys.Lett.83 3081[8]Sun C T,Zhang H 2003 J.Appl.Phys.93 1212[9]Bao F,Yu H,Lu Q,Huang Q 2007 Chin.J.Semi.28 1979[10]Lu Q R,Bao F,Yu H,Huang Q A 2008 Chin.J.Sens.Actuat.21 469(in Chinese)[陆清茹,鲍芳,于虹,黄庆安2008传感技术学报21 469][11]Wang J,Huang Q A,Yu H 2008 Appl.Surf.Sci.255 2449[12]Lü H L,Wang J 2015 Acta Phys.Sin.64 236103(in Chinese)[吕焕玲,王静 2015物理学报 64 236103][13]Gong B,Chen Q,Wang D 2012 Mater.Lett.67 165[14]Cao G B,Chen Y F,Jiao J W,Wang Y L 2007 mun.34 503[15]Pishkenari H N,Afsharmanesh B,Tajaddodianfarf2016 Int.J.Eng.Sci.100 8[16]Lü H L,Wang J 2016 J.Xinjiang Univ.33 421(in Chinese)[吕焕玲,王静 2016新疆大学学报33 421][17]Rücker H,Methfessel M 1995 Phys.Rev.B 52 11059[18]Wang J 2012 The Sixth Asia-Pacific Conference on Transducers and Micro/Nano Technologies Nanjing,China,July 8–11,2012 ac12000109[19]Krivtsov A M,Morozovv Nf2002 Phys.Solid State 44 2260[20]Xu Y,Zhang L C,Yu T X 1987 Int.J.Mech.Sci.29 425[21]Wang J,Huang Q A,Yu H 2008 J.Phys.D:Appl.Phys.41 165406[22]Park S H,Kim J S,Park J H,Lee J S,Choi Y K,Kwon O M 2005 Thin Sol.Films 492 285[23]Li Y N,Zhao J,Guo T 2008 J.Tianjin Univ.41 7(in Chinese)[李艳宁,赵景,郭彤 2008天津大学学报 41 7][24]Pishkenari H N,Afsharmanesh B,Akbari E 2015 Curr.Appl.Phys.15 1389[25]Tang Z,Alueu N R 2006 Phys.Rev.B 74 235441PACS∶61.72.uf,62.25.—g,81.40.Jj DOI∶10.7498/aps.66.106103*Project supported by the National Natural Science Foundation of China(GrantNo.11064014).†Corresponding author.E-mail:*************。
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关纳米尺度下材料力学性能的研究工作已受到 美 、日 、澳 、欧盟等发达国家和地区以及我国部分 高校和科研院所的高度重视 。
在材料纳米力学性能的测试分析中 ,纳米压 痕技术是最为常用的手段 ,借助该项技术人们可 以测得 被 测 试 件 的 硬 度 、弹 性 模 量 等 力 学 参 数[5 , 13214 ] ,借助扫描电子显微镜等设备对测试后 的试件进行观测分析 ,还可发现载荷作用导致的 材料损伤和内部缺陷[2 , 15218 ] ,此外纳米划痕技术 近年来在材料力学性能的研究分析方面也逐渐展 露了头角 。
纳米压痕测试技术目前已较为成熟 ,美国 M TS 和 Hysit ro n 、日本 Elio nix 、瑞士 CSEM 、澳 大利亚 A SI 等公司均有商业化纳米压痕仪产品 。 图 1 为日本 Elio nix 公司出品的 EN T21100 型纳 米压痕仪外观 。
图 2 Vickers 型单晶金刚石压头形状 Fig. 2 Indenter shape of Vickers single crystal diamond
除了金刚石 ,纳米压头的另外一种可选的材 料是蓝宝石 ( Sapp hire) ,虽然蓝宝石没有金刚石 硬 ,但由于其晶体各向异性特性明显弱于金刚石 , 因此适于用来加工球形 、锥形等具有圆形特征的 纳米压头 。针对纳米压头的尺寸 、形状 ,目前国际 已有确定的标准[14] 。此外 ,目前商业化的纳米压 痕仪内部通常具有多种可选的压头加载2卸载方 式 。图 3 为较为常用的压痕测试中压头施加给试 件的加载力大小 (或运动位移) 的时间历程曲线 。
1604
光学 精密工程
第 17 卷
加 ,试样开始发生延性变形 、甚至脆性断裂 ;加载 曲线呈非线性 ,而卸载曲线反映被测物体的弹性 恢复情况 。通过分析加载2卸载曲线可以得到材 料的硬度和弹性模量等参数 ,采用纳米压痕技术 可以测试材料试件的蠕变 、断裂韧性 、疲劳等特 性 。此外 ,纳米压痕技术还被用于测试薄膜力学 性能 、M EMS/ N EMS 微构件的弯曲刚度等特性 。 近年来 ,纳米压痕测试技术已经成为测试材料试 件纳米力学性能的一种主流技术 。就微纳米切削 加工而言 ,借助纳米压痕技术可以从纳米尺度探 求被测材料试件的力学特性 ,进而探索这类材料 的可加工性 ,提高加工精度和刀具使用寿命 。
赵宏伟 ,等 :单晶硅纳米力学性能的测试
1603
under t he nanoindentatio n zo ne inside t he silico n wafer , because t he p ressure aro und t he nanoindenta2 tio n zo ne is different . The testing result of t he hardness of single crystal silico n is abo ut 15. 7 GPa. Key words : single crystal silico n wafer ; nano meter mechanics ; nanoindentatio n ; hardness ; cut ting
赵宏伟1 ,杨柏豪2 ,赵宏健3 ,黄 虎1
(1. 吉林大学 机械科学与工程学院 ,吉林 长春 130022 ; 2. 北京航天计量测试技术研究所力学室 ,北京 100076 ; 3. 浙江大学 材料与化学工程学院 ,浙江 杭州 310027)
摘要 :对材料纳米力学性能测试手段进行了研究 ,着重分析了纳米压痕技术的原理和方法 。结合纳米压痕技术 ,采用尖 端四面体 Vickers 型单晶金刚石压头对单晶硅 (100) 晶面进行了纳米压痕实验测试 。实验发现 ,在载荷为 1 000 mN 时 , 晶体硅出现了明显的裂纹和脆性断裂 ;而在载荷低于 80 mN 的情况下 ,晶体硅则表现出延性特性 。此外 ,在不同载荷条 件下对晶体硅的硬度进行了实验测试 ,测试结果发现 ,不同载荷条件下晶体硅的硬度测量值存在较大的差异 ,认为导致 这种差异的原因在于压痕区域晶体硅所受压力不同 ,使得晶体硅内部结构发生了改变 ,较为准确的单晶硅的硬度测量值 为 15. 7 GPa 。 关 键 词 :单晶硅薄片 ;纳米力学 ;纳米压痕 ;硬度 ;纳米级切削加工 中图分类号 : TN304. 07 文献标识码 :A
Test of nanomechanical properties of single crystal silicon
ZHAO Ho ng2wei1 , YAN G Bai2hao2 , ZHAO Ho ng2jian3 , HU AN G Hu1
(1. Col le ge of M echanical S cience an d Technolog y , J i l i n U ni versi t y , Chan gchun 130025 , Chi na; 2. De p art ment of M echanics , B ei j i n g A eros p ace I nsti t ute f or M et rolog y an d M eas u rement Technolog y , B ei j i n g 100076 , Chi na;
第 17 卷 第 7 期 2009 年 7 月
Op t ic s
光学 精密工程
and Precision Engineeri
ng
Vol. 17 No. 7
J ul. 2009
文章编号 10042924X(2009) 0721602207
单晶硅纳米力学性能的测试
收稿日期 :2008203213 ;修订日期 :2008205229. 基金项目 :高等学校博士学科点专项科研基金 (新) (No . 20081831024) ;吉林省科技项目 (No . SC0704083) ;吉林大学
自然科学种子基金资助项目 (No . 498042320414)
第7期
3. College of Material Science and Chemical Engineering , Zhej iang University , Hangz hou 310027 , China)
Abstract : The testing met hods for nano mechanic p roperties of material s widely used in machining in micro2nano scale , M EMS/ N EMS , bio medical engineering , material sciences etc. are researched and t he main p rinciple and met hods of nanoindentatio n technology are analyzed. By a fo ur2sided Vickers diamo nd indenter wit h a sharpened tip , t he nanoindentatio n experiment s are undertaken to test t he single crystal silico n o n (100) crystal surface wit h t he help of a nanoindentatio n tester . Experiment s show t hat t he brittle crack is occurred aro und t he nanoindentatio n zo ne o n silico n surface when t he maximum load of indentatio n is 1 000 mN . However , t he crystal silico n shows plastic p ropert y when t he maximum load of indentatio n is below 80 mN . Moreover , t he hardness test of t he crystal silico n wit h different loads is carried o ut , and t he testing result s show t hat t he hardness is quite different in different loads. It is explained t hat t he appeared p heno meno n may co me f ro m t he p hase t ransformatio n
p rocess in nano2scale
1 引 言
近年来 ,随着精密定位技术的发展[1] 和刀具 水平的提高 ,以单晶金刚石刀具为加工工具的纳 米级切削加工得到不断发展[224] ;当刀具圆角半径 达到纳米级时 ,利用该方法可完成复杂微小构件 的干式纳米加工 。在纳米级切削加工方面 ,以晶 体半导体材料的纳米级切削加工最引人关注 ,采 用这种方法制备的单晶硅 ( Si) 、锗 ( Ge) 透镜是红 外遥感 、热成像 、暗视野观测等领域尖端设备的首 选元件 ,而针对化合物半导体如磷化铟 ( InP) 、砷 化镓 ( GaA s) 等制备的器件可用于集成电路的基 板或衬底 ,具有较高的理论研究价值和相当的市 场份额 。在日本 ,由晶体锗薄片加工而成的红外 菲涅耳 透 镜 ( Inf rared Fresnel lenses) [4] 价 格 昂 贵 ,且不易获得 。纳米级切削加工过程十分复杂 , 其中被加工材料的纳米尺度力学性能是一个关 键 。近年来微纳机电系统 ( M EMS/ N EMS) 的研 究取得了长足进展 ,部分产品已达到实用化阶段 , 如微压力传感器 、加速度计 、微喷头等 ,但微纳制 造与装配技术的不足和可供实际应用的相关材料 力学性能参数的缺乏[5] 仍在很大程度上制约了 M EMS/ N EMS 技术及相关高技术领域的深入研 究和产业化步伐 ,成为阻碍这项研究的瓶颈 。因 此 ,开展 M EMS/ N EMS 构件的纳米力学性能评 定方法与测试手段的研究具有十分重要的意义 , 已得到国内外众多研究机构的重视[528 , 13 ] 。此外 , 随着新型纳米材料 、生物医学工程的发展 ,研发人 员迫切希望探求纳米尺度下纳米晶体 、纳米管 、薄 膜材料 、生物人体组织等的力学性能和损伤机 制[9213 ] 。这些研究工作推动了相关领域的理论研 究 ,加速了实际开发应用的快速发展 。近年来 ,有