有限元結(jié)合納米壓痕法確定壓電納米材料的彈性常數(shù).pdf

1、因具有優(yōu)異的力電耦合性能，壓電納米帶和壓電薄膜廣泛應(yīng)用于微電子器件領(lǐng)域。它們常常以沉積在基底表面的形式存在，其厚度在幾個(gè)納米到微米量級(jí)。壓電納米帶和壓電薄膜的力學(xué)性能對(duì)器件的工作效率有著重要的影響。因此，表征壓電納米帶和壓電薄膜的力學(xué)性能就顯得尤為重要。納米壓痕技術(shù)因具有高靈便性、高精確性及對(duì)樣品尺寸要求小的特點(diǎn)，已經(jīng)成為表征納米材料力學(xué)性能的有效方法。但是，如果壓痕過(guò)程受到基底材料的影響，那么實(shí)驗(yàn)結(jié)果并不能反映出被測(cè)材料的真實(shí)力學(xué)性能

2、。在本文中，考慮基底效應(yīng)的影響，研究壓電納米帶和壓電薄膜的彈性力學(xué)性能。首先，以權(quán)平均方程作為補(bǔ)充方程，結(jié)合納米壓痕和有限元法，確定了壓電納米帶的彈性常數(shù)。其次，對(duì)于壓電薄膜/絕緣彈性基體系，建立了壓痕載荷與材料性能參數(shù)的關(guān)系。最后，基于壓痕載荷與材料性能參數(shù)的關(guān)系為補(bǔ)充方程，結(jié)合納米壓痕和有限元法，確定了壓電薄膜的彈性常數(shù)。本文的主要研究?jī)?nèi)容分為三個(gè)部分：
　　(1)以權(quán)平均方程作為補(bǔ)充方程，結(jié)合納米壓痕和有限元法，確定橫觀各向

3、同性壓電納米帶的彈性常數(shù)。在正向分析過(guò)程中，分別用有限元軟件的純力學(xué)模式和壓電模式模擬壓電納米帶/基底體系的壓痕實(shí)驗(yàn)，得到最大加載力和加載曲線指數(shù)與膜/基體系的彈性常數(shù)之間無(wú)量綱方程的具體形式。在反向分析過(guò)程中，對(duì)沉積在硅基底上的ZnS納米帶進(jìn)行納米壓痕實(shí)驗(yàn)，得到實(shí)驗(yàn)壓痕曲線。將由實(shí)驗(yàn)壓痕曲線得到的實(shí)驗(yàn)最大加載力和實(shí)驗(yàn)加載曲線指數(shù)及相關(guān)實(shí)驗(yàn)參數(shù)代入無(wú)量綱方程和補(bǔ)充方程中，確定了ZnS納米帶的彈性常數(shù)。
　　(2)對(duì)于壓電薄膜/絕緣

4、彈性基底體系的納米壓痕實(shí)驗(yàn)，提出了一種壓痕載荷響應(yīng)理論。該理論考慮了絕緣壓頭作用下膜/基體系的位移邊界條件、電學(xué)邊界條件及界面連續(xù)性條件，并得到了壓痕載荷與壓電薄膜的彈性常數(shù)、壓電系數(shù)及介電常數(shù)的關(guān)系式。另外，對(duì)膜/基體系的壓痕響應(yīng)進(jìn)行無(wú)量綱分析，確立了最大加載力和加載曲線指數(shù)與膜/基體系的彈性常數(shù)之間的無(wú)量綱方程。聯(lián)立無(wú)量綱方程和壓痕載荷響應(yīng)理論所確立的關(guān)系式組成方程組，用于求解壓電薄膜的彈性常數(shù)。
　　(3)基于壓電薄膜/絕緣

5、彈性基底體系的壓痕載荷響應(yīng)理論，結(jié)合納米壓痕和有限元法，確定橫觀各向同性壓電薄膜材料的彈性常數(shù)。在正向分析過(guò)程中，考慮壓電薄膜的壓電效應(yīng)，通過(guò)有限元仿真模擬膜/基體系的壓痕實(shí)驗(yàn)，得到最大加載力和加載曲線指數(shù)與膜/基體系的彈性常數(shù)之間無(wú)量綱方程的具體形式。在反向分析過(guò)程中，分別對(duì)生長(zhǎng)在硅基底上的ZnO薄膜和0.95Na0.5Bi0.5TiO3-0.05K0.5Bi0.5TiO3(BNKT)薄膜進(jìn)行納米壓痕實(shí)驗(yàn)，得到實(shí)驗(yàn)壓痕曲線。將由實(shí)驗(yàn)壓