MEMS粘附的分子动力学研究

论文摘要

虽然MEMS发展已经有二十多年的时间了,但粘着问题一直阻碍MEMS产品进入市场,是MEMS技术急需解决的关键问题。分子动力学模拟作为一种数字实验方法,可以对理论分析和实验观察都难以了解的现象做出一定的解释。分子动力学模拟是研究粘着问题的一种有效方法。针对MEMS中的粘着问题,本文选取Au材料,以分子动力学模拟为研究手段,对MEMS球面模型接触过程进行了模拟,综合考虑引力和斥力,并对模拟结果进行了分析。本文首先介绍了分子动力学模拟技术的基本原理,然后建立了分子动力学的仿真模型,并确定了分子动力学模拟的各种仿真参数。模拟中采用EAM势函数描述原子间的相互作用,采用Velocity-Verlet算法求解系统运动方程。本文研究了球面模型接触过程中原子构型的变化;讨论了在接触过程各个阶段中接触区域的压力分布情况;分析了接触半径随着接触力以及压头位移的变化关系;分析了接触力随着压头位移的变化关系以及接触力与接触区域原子层数的关系;分析了接触过程中系统总能量随时间的变化关系以及系统势能随着压头位移的变化关系。本文使用C++语言进行微/纳观接触问题的分子动力学研究,代码精简易懂,可移植性好,为分子动力学模拟技术的编程风格进行了改进。研究表明:压头逐渐趋近于基体表面时,基体表面在粘着力的作用下以“突跳”的方式与压头迅速接触,得到“突跳”现象;当压头反向撤离时,与压头相连的基体材料发生颈缩,得到颈缩分离现象;分离粘着过程中的接触力相对于粘着接触过程中的接触力呈现明显的滞后,这表明粘着力在分离粘着过程中对弹性基体的原子构型有较大影响;接触力的大小只与接触区域的上面少数几层原子有关;受压状态下,接触区域近处原子受压力,远处原子受拉力;接触过程中出现了晶体变形和原子迁移现象。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 MEMS简介
• 1.2 MEMS中的粘附现象
• 1.3 粘附力的实质
• 1.4 纳米接触问题的研究方法及现状
• 1.5 本文的主要工作
• 第二章 分子动力学模拟的主要技术
• 2.1 引言
• 2.2 分子动力学模拟的基本原理
• 2.3 势函数
• 2.3.1 两体势
• 2.3.1.1 Lennard-Jones势
• 2.3.1.2 Morse势
• 2.3.1.3 两体势小结
• 2.3.2 三体势
• 2.3.2.1 Tersoff势
• 2.3.2.2 Pearson-Tikai-Halicioglu-Tiller势
• 2.3.2.3 三体势小结
• 2.3.3 多体势
• 2.3.4 势函数小结
• 2.4 有限差分算法
• 2.4.1 Verlet算法
• 2.4.2 Leap-frog算法
• 2.4.3 Gear算法
• 2.4.4 Velocity-Verlet算法
• 2.4.5 其它算法
• 2.5 初始条件和边界条件
• 2.5.1 初始条件
• 2.5.2 边界条件
• 2.5.2.1 周期性边界条件
• 2.5.2.2 非周期性边界条件
• 2.6 分子动力学模拟的系综
• 2.6.1 系综的分类
• 2.6.2 系综的控制技术
• 2.6.2.1 调温技术
• 2.6.2.2 调压技术
• 2.7 截断半径方法与邻域列表法
• 2.8 宏观统计量的提取
• 2.8.1 径向分布函数
• 2.8.2 静态结构因子
• 2.8.3 温度
• 2.8.4 压力
• 2.8.5 系统总能量
• 2.8.6 扩散系数
• 2.9 本章小结
• 第三章 MEMS球面模型接触过程分子动力学仿真方案
• 3.1 分子动力学模型的建立
• 3.2 原子间相互作用势函数
• 3.3 系统运动方程及其求解算法
• 3.3.1 系统运动方程
• 3.3.2 系统运动方程的求解算法
• 3.4 初始条件及边界条件的选取
• 3.4.1 初始条件的选取
• 3.4.2 边界条件的选取
• 3.5 系统的温度控制
• 3.6 分子动力学模拟其它控制参数的确定
• 3.6.1 截断半径的选取
• 3.6.2 对比单位的确定
• 3.6.3 时间步长的选取
• 3.7 接触过程分子动力学模拟流程图
• 3.8 本章小结
• 第四章 分子动力学仿真结果分析
• 4.1 弛豫过程
• 4.2 接触过程
• 4.3 压力分布曲线
• 4.4 接触力—位移曲线
• 4.5 接触半径分析
• 4.6 接触过程能量分析
• 4.7 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 5.1 本文的主要结论
• 5.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 研究成果