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硅和石墨烯材料纳机电系统的机电耦合特性研究

作　者: 高海源
导　师: 金仲和; 徐杨
学　校: 浙江大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: 纳机电系统机电耦合硅纳米线石墨烯毫米波开关压力传感器
分类号: TP211.4
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

纳机电系统(NEMS)是集成了电学和机械功能的纳米尺寸器件,是微机电系统(MEMS)进一步小型化的延伸,但也具有纳米尺度下不同于MEMS的特别之处。NEMS具有较小尺寸、较轻活动部件、高谐振频率、高品质因数等优点,引起学术界和工业界的广泛关注。这些优点使NEMS适用于高速传感器或执行器、信号处理单元、化学物质检测器等应用。另外,NEMS也被期望于从实验上研究声子介导的机械过程,介观机械系统的量子行为等基础物理问题。NEMS技术面对的重要挑战之一是设计驱动和检测方法,使其不依赖于苛刻的温度、压力等环境,避免使用昂贵的大型设备,而且便于批量成产。该方法同时要能检测到高频率的纳米尺寸位移。另外由于空气阻尼的作用,在大气环境下实现NEMS的高品质因数也面临很大挑战。传统的NEMS器件多使用半导体工业中的常用材料作为移动部件,其中硅材料自然成为广泛的选择。本文研究了利用场效应来检测硅NEMS器件的方法。制作了被称为悬浮沟道场效应管的NEMS器件,并在工艺上做了改进以提高器件的稳定性和提供制作硅纳米线的方法。同时用应变硅场效应管的理论计算载流子在应变沟道中的迁移率,用有限元分析方法计算悬浮梁的位移随偏压的变化。结合上述仿真的结果,建立了较精确的机械电子耦合模型来描述器件的电压电流特性。该模型被用来验证实验测得的转移特性和输出特性,以及发现的差分负阻效应,得到了较好的一致性。石墨烯是一层碳原子以二维六角蜂巢晶格而形成的材料。石墨烯由于优秀的机械,电学和热学特性,很适合制作NEMS器件。实验上和理论上对石墨烯NEMS的研究有了很大进展,但仍缺少对机电耦合特性的系统研究。本文利用紧束缚模型和密度泛函理论等针对纳米尺寸、考虑量子效应的理论模型及计算方法,研究了石墨烯NEMS应用中常见的机电耦合特性问题。这些问题包括弯曲石墨烯的电学特性,台阶状石墨烯的电学输运特性,以及压缩应变下石墨烯的机械翘曲和电学特性。进一步对两种典型的石墨烯NEMS器件,即毫米波开关和压力传感器,研究其在实际应用中的特性。这些研究结果证明了石墨烯适合制作高开关比、高灵敏度、易弯曲折叠的NEMS器件,并为设计制造提供了可参考的结构尺寸等参数。综上所述,本文从理论或实验上研究了硅或石墨烯材料的NEMS器件,重点在于建立机电耦合模型用以分析器件机械形变后的电学特性。我们的仿真结果揭示了两种材料用于NEMS器件的特点和前景,为相关器件的制作提供了参考,为实验结果的分析提供了理论依据。

全文目录

致谢  5-6
摘要  6-8
Abstract  8-10
目录  10-12
1 绪论  12-30
  1.1 纳机电系统概述  12-17
    1.1.1 发展历史  12-14
    1.1.2 国内外研究现状  14-17
  1.2 应变硅场效应管概述  17-21
    1.2.1 发展历史  17-19
    1.2.2 国内外研究现状  19-21
  1.3 石墨烯材料与器件概述  21-28
    1.3.1 发展历史  21-23
    1.3.2 国内外研究现状  23-28
  1.4 论文主要内容及意义  28-30
2 硅NEMS器件制作与仿真  30-54
  2.1 器件结构与制作工艺  30-36
    2.1.1 器件结构与工作原理  30-31
    2.1.2 基本工艺步骤  31-32
    2.1.3 TMAH腐蚀工艺改进  32-34
    2.1.4 释放工艺改进  34-36
  2.2 形变势理论仿真载流子迁移率  36-44
    2.2.1 建模仿真方案  36-38
    2.2.2 p型场效应管中空穴迁移率  38-40
    2.2.3 n型场效应管中电子迁移率  40-44
  2.3 机电耦合模型的建立  44-49
    2.3.1 有限元方法计算位移随电压改变  44-47
    2.3.2 仿真无位移器件的电学特性  47-49
  2.4 实验与仿真结果对比分析  49-53
    2.4.1 真空及升温测试结果  49-50
    2.4.2 仿真结果与实验对比  50-53
  2.5 本章小结  53-54
3 石墨烯研究的理论基础  54-69
  3.1 建模仿真方案  54-55
  3.2 紧束缚理论  55-61
    3.2.1 物理基础  55-58
    3.2.2 建模步骤与算法  58-61
  3.3 密度泛函理论  61-68
    3.3.1 物理基础  61-64
    3.3.2 算法与软件工具  64-66
    3.3.3 仿真参数与结果分析  66-68
  3.4 本章小结  68-69
4 形变石墨烯的机电耦合特性  69-85
  4.1 弯曲形变石墨烯的电学特性  69-79
    4.1.1 研究动机  69-71
    4.1.2 器件结构与建模方法  71-73
    4.1.3 弯曲石墨烯的能带和禁带宽度  73-75
    4.1.4 弯曲石墨烯的本地态密度  75-76
    4.1.5 台阶状石墨烯的传输谱  76-78
    4.1.6 台阶状石墨烯的电压电流曲线  78-79
  4.2 压缩应变下石墨烯的机械翘曲和电学特性  79-84
    4.2.1 研究动机  79
    4.2.2 器件结构与建模方法  79-80
    4.2.3 翘曲石墨烯的位移和能量  80-81
    4.2.4 翘曲石墨烯的传输谱  81-82
    4.2.5 翘曲石墨烯的电压电流曲线  82-84
  4.3 本章小结  84-85
5 石墨烯NEMS器件特性  85-97
  5.1 石墨烯NEMS毫米波开关  85-90
    5.1.1 研究动机  85
    5.1.2 器件结构与建模方法  85-88
    5.1.3 开关的位移和范德华力  88-89
    5.1.4 开关的电磁传输参数  89-90
  5.2 石墨烯NEMS压力传感器  90-96
    5.2.1 研究动机  90
    5.2.2 器件结构与建模方法  90-92
    5.2.3 不同压力下的能带和态密度  92-94
    5.2.4 压力传感器的传输谱  94-95
    5.2.5 压力传感器的电流压力曲线  95-96
  5.3 本章小结  96-97
6 总结  97-98
参考文献  98-105
作者简历  105

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