1、隨著納米電子機械系統(tǒng)(NEMS)技術的發(fā)展，納米薄膜被廣泛用作NEMS的機械構件和電子元件。由于小尺度效應，納米薄膜的力學性質和宏觀尺度下的薄膜顯著不同。利用經(jīng)典的分子動力學方法，本文針對納米薄膜力學的一些問題包括表面界面應力和彈性變形行為，進行了數(shù)值模擬研究。 分子動力學方法的一些基本原理在第二章中做了詳細的介紹。在第二章中，首先由統(tǒng)計物理學引入分子動力學。鑒于系綜平均計算的困難，分子動力學中的軌道平均(實際中是軌道抽樣)是一

2、個很好的替代。對于所研究的非孤立系統(tǒng)，環(huán)境本質上也是一個熱力學系統(tǒng)。將環(huán)境的自由度合并成一個和幾個虛擬自由度。這樣所研究的物理系統(tǒng)和環(huán)境加起來就構成了一個孤立系統(tǒng)，其動力學方程可參照孤立系統(tǒng)的動力學方程得到。除了動力學方程外，原子間的相互作用也是分子動力學方法中很重要的一部分。第二章中同時也討論了經(jīng)典勢函數(shù)的構造和選取的一些基本原則。 第三章對分子動力學模擬中原子應力的一些概念和方法進行了分析和討論，澄清了原子應力計算方法上的一

3、些誤區(qū)。從定義上看，virial格式是用來計算均勻變形系統(tǒng)的應力的，而Tsai格式是用來計算局部應力的。在用來計算一個系統(tǒng)的平均應力的時候，這兩種格式是完全等價的。和Tsai格式相比，因為實施起來比較方便，virial分解式更多地用來計算原子應力分布。然而，根據(jù)本章第一節(jié)關于virial分解式的推導，可以看到，virial分解式只是一個形式上的選擇，并不是根據(jù)嚴格的物理定理。通過詳細的分析對比可以看到，使用virial分解式來計算原子應

4、力的時候，只有在所使用的勢函數(shù)截斷半徑以內(nèi)，材料的變形和微結構是均勻的，所得到的結果才準確確。在一些情況下virial分解式可能給出不準確甚至錯誤的結果。比如，在計算表面附近的應力時，由virial分解式得到的方向應力分量在表面處不為零，而且virial分解式通常也會“低估”材料的微結構和變形的非均勻性。 第四章通過分子動力學模擬，計算了納米單晶銅薄膜在馳豫前后能量和體應力分量沿厚度方向的分布，并考察了Cu(001)表面馳豫對表

5、面附近能量和體應力分布的影響。結果表明，表面能和表面應力重要集中在表面最外原子層內(nèi)，表面馳豫將引起表面附近能量和應力的釋放。表面附近能量的釋放沿厚度方向呈現(xiàn)出波動的特點。表面附近各層原子的能量都隨著馳豫而下降，只有次外層，其能量反而升高。除了波動的能量釋放形式外，結果中還觀察到非?！蔼毺亍钡膽︶尫判问?。面內(nèi)體應力分量，σ<,xx>和σ<,yy>，并不是發(fā)生在應力最集中的最外層，而是發(fā)生在次外層和第三層。于是就導致一個壓力層的存在。盡管

6、總的表面應力仍然是拉應力。表面馳豫的驅動力來自于表面最外層原子配位數(shù)降低后的電子結構調(diào)整。但是本文的結果顯示，體應力的釋放并不是發(fā)生在最外層。這種“獨特”的應力釋放規(guī)律可以從第一性原理的研究中獲得，對于它的掌握可以增加我們對表面馳豫和表面應力起源的認識。 第5章通過對Cu/Cu(100)同質吸附以及Al/Ni(100)異質吸附的分子動力學模擬，詳細研究了吸附誘導表面應力的起源。結果表明，在低覆蓋范圍內(nèi)(0-0.4ML)，吸附誘導

7、表面應力主要源于吸附原子導致底物表面原子間的相互作用的改變；在中覆蓋直至高覆蓋范圍內(nèi)(>0.4ML)，吸附誘導表面應力主要由吸附原子間的相互作用產(chǎn)生，也就是晶格失配。并進一步指出，晶格失配產(chǎn)生的界面應力與吸附層數(shù)的呈一定周期的波動性。 第6章中，利用分子動力學方法對納米單晶銅薄膜和單晶硅薄膜的彈性變形的尺度相關性進行了模擬研究。在納米尺度下，材料和構件彈性變形的尺度相關性包括彈性模量和泊松比的尺度相關性，以及變形剛度的尺度相關性

8、。將分子動力學模擬中得到的結果和Lam等人提出的應變梯度彎曲模型的理論解進行了對比。本章的模擬結果給出以下幾點結論。在納米尺度下，材料和構件的彈性性能和宏觀尺度有很大的不同，不光材料和構件的有效彈性模量和泊松比與尺度相關，在非均勻變形下其無量綱化的剛度也依賴與構件的尺度。對于單晶硅納米薄膜和單晶銅納米薄膜，當薄膜的厚度大于10nm的時候，彈性常數(shù)、泊松比和無量綱化的彎曲剛度的尺度效用趨于零。說明當納米薄膜和納米構件的尺度大于10納米的時

9、候，可以用傳統(tǒng)的彈性理論來處理其彈性變形問題。當納米表面的尺度低于10nm的時候，納米薄膜的無量綱化的彎曲剛度存在尺度相關性。分子動力學模擬的結果和理論解之間的并不一致。單晶硅納米薄膜的無量綱化的彎曲剛度差為負值，并且其絕對值隨薄膜厚度降低而增加，說明在納米尺度下，單晶硅薄膜非均勻變形下與尺度相關的軟化效應。雖然在銅納米薄膜中觀察到了硬化效應，但這種硬化效應非常不明顯。說明用彈性應變梯度理論并不適合處理處理納米尺度下的材料和構件的非均勻