有限元结合纳米压痕法确定压电纳米材料的弹性常数

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因具有优异的力电耦合性能，压电纳米带和压电薄膜广泛应用于微电子器件领域。它们常常以沉积在基底表面的形式存在，其厚度在几个纳米到微米量级。压电纳米带和压电薄膜的力学性能对器件的工作效率有着重要的影响。因此，表征压电纳米带和压电薄膜的力学性能就显得尤为重要。纳米压痕技术因具有高灵便性、高精确性及对样品尺寸要求小的特点，已经成为表征纳米材料力学性能的有效方法。但是，如果压痕过程受到基底材料的影响，那么实验结果并不能反映出被测材料的真实力学性能。在本文中，考虑基底效应的影响，研究压电纳米带和压电薄膜的弹性力学性能。首先，以权平均方程作为补充方程，结合纳米压痕和有限元法，确定了压电纳米带的弹性常数。其次，对于压电薄膜/绝缘弹性基体系，建立了压痕载荷与材料性能参数的关系。最后，基于压痕载荷与材料性能参数的关系为补充方程，结合纳米压痕和有限元法，确定了压电薄膜的弹性常数。本文的主要研究内容分为三个部分：
　　(1)以权平均方程作为补充方程，结合纳米压痕和有限元法，确定横观各向同性压电纳米带的弹性常数。在正向分析过程中，分别用有限元软件的纯力学模式和压电模式模拟压电纳米带/基底体系的压痕实验，得到最大加载力和加载曲线指数与膜/基体系的弹性常数之间无量纲方程的具体形式。在反向分析过程中，对沉积在硅基底上的ZnS纳米带进行纳米压痕实验，得到实验压痕曲线。将由实验压痕曲线得到的实验最大加载力和实验加载曲线指数及相关实验参数代入无量纲方程和补充方程中，确定了ZnS纳米带的弹性常数。
　　(2)对于压电薄膜/绝缘弹性基底体系的纳米压痕实验，提出了一种压痕载荷响应理论。该理论考虑了绝缘压头作用下膜/基体系的位移边界条件、电学边界条件及界面连续性条件，并得到了压痕载荷与压电薄膜的弹性常数、压电系数及介电常数的关系式。另外，对膜/基体系的压痕响应进行无量纲分析，确立了最大加载力和加载曲线指数与膜/基体系的弹性常数之间的无量纲方程。联立无量纲方程和压痕载荷响应理论所确立的关系式组成方程组，用于求解压电薄膜的弹性常数。
　　(3)基于压电薄膜/绝缘弹性基底体系的压痕载荷响应理论，结合纳米压痕和有限元法，确定横观各向同性压电薄膜材料的弹性常数。在正向分析过程中，考虑压电薄膜的压电效应，通过有限元仿真模拟膜/基体系的压痕实验，得到最大加载力和加载曲线指数与膜/基体系的弹性常数之间无量纲方程的具体形式。在反向分析过程中，分别对生长在硅基底上的ZnO薄膜和0.95Na0.5Bi0.5TiO3-0.05K0.5Bi0.5TiO3(BNKT)薄膜进行纳米压痕实验，得到实验压痕曲线。将由实验压痕曲线得到的实验最大加载力和实验加载曲线指数及相关实验参数代入无量纲方程和补充方程中，确定ZnO和BNKT薄膜的弹性常数。

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作者
刘伟;
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作者单位

湘潭大学;

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授予单位湘潭大学;
学科材料科学与工程
授予学位硕士
导师姓名郑学军;
年度 2013
页码
总页数
原文格式 PDF
正文语种中文
中图分类材料结构及物理性质;特种结构材料;
关键词
有限元法; 纳米压痕法; 压电纳米材料; 弹性常数;

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