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《天津大学》 2007年
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多孔硅力学性能的光力学方法与数值模拟研究

邸玉贤  
【摘要】: 多孔硅薄膜是一种具有优良力热光电性能的纳米半导体材料,在MEMS工艺中具有广阔的应用前景,其力学性能的研究具有非常重要的意义。由于在微观领域材料性能出现尺寸效应,表现出与宏观材料巨大的性能差异,同时很多传统的测试方法和装置已经不再适用,建立新的数据模型和开发新的测试技术成为当务之急。本课题从数值模拟和实验观测两方面对多孔硅薄膜的弹性模量和残余应力进行了全面的探索与研究。 力学性能与材料的原子和电子结构有直接的关系,而不同孔隙率的多孔硅薄膜的平衡晶格常数和平衡状态下的普通单晶硅本体是不同的,本文把原子级模拟技术和传统的有限元方法相结合,提出了一种基于原子势的连续介质方法,推导了多孔硅薄膜胞壁固体相的本构关系,建立了以孔洞为夹杂而纳米硅胞壁为基体的本构模型。把宏观、细观和纳观三层嵌套模型有机结合起来,对多孔硅材料的宏观等效弹性性质进行了有限元数值模拟,系统分析了不同孔隙率多孔硅薄膜的宏观弹性常数,理论模拟结果与已有的实验数据符合良好。 该文率先把鼓泡法应用于多孔硅薄膜力学性能的测量中。根据鼓泡法的基本原理,自行设计研制了测量多孔硅薄膜力学性能的实验装置,利用自行研制的实验装置对所制备的多孔硅薄膜/硅基底复合体试样进行了测量,得到该试样的多孔硅薄膜的弹性模量,所得弹性模量与前面章节理论预测值相吻合。 本文通过基片曲率法设计和制作了一种测量薄膜残余应力的装置,它具有全场性、非接触性、高分辨率、无破坏、数据获取速度快等特点。使用该装置测量了电化学腐蚀法制作的多孔硅薄膜的残余应力,并研究了孔隙率和基底掺杂浓度对残余应力的影响,结果表明随着孔隙率的增加和硼离子掺杂浓度的提高,多孔硅表面的拉伸应力逐渐加大,由此表明多孔硅薄膜的微观结构与残余应力的大小有着密切的联系。 根据改进的TFD理论和弹性力学模型,本文首次从界面电子密度理论的角度分析和计算了多孔硅薄膜残余应力。通过电子密度理论推算出多孔硅薄膜的表面电子密度,又从理论上分析了掺B的p型Si衬底的掺杂浓度对PS薄膜内应力的影响,并得到实验验证,从而初步证明了衬底与薄膜的电子浓度差对薄膜内应力的影响。
【学位授予单位】:天津大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:O484

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【引证文献】
中国硕士学位论文全文数据库 前1条
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【参考文献】
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中国硕士学位论文全文数据库 前9条
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中国硕士学位论文全文数据库 前10条
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6 汪小芳;刀一屑摩擦对残余应力分布影响的模拟分析[D];浙江大学;2004年
7 陈会丽;爆炸焊接复合板界面残余应力的研究[D];昆明理工大学;2005年
8 谷绪地;直缝焊管高频感应焊接残余应力分析[D];燕山大学;2010年
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