1、微機電系統(tǒng)和納機電系統(tǒng)是基于納米科技發(fā)展起來的新興前沿技術，當微結構尺寸達到微米量級，甚至納米量級時，由于小尺寸效應、量子效應及表面效應的影響，微結構的設計理論與方法和傳統(tǒng)機械設計理論與方法有著本質的不同，材料的力學特性、缺陷、彈性模量、載荷特性和失效機理等都將發(fā)生質的變化。依據經典連續(xù)介質力學建立起的機械設計理論與方法將不能直接沿用至微結構的設計問題當中，必須應用近代物理學的最新成果，從微觀的角度在分子尺度上去研究微機械的力學特性。本

2、文應用分子動力學仿真技術研究微結構拉伸和壓痕過程的變形機理并定量的計算出一些力學性能，同時利用原子力顯微鏡進行納米壓痕實驗驗證。這對于全面認識微結構變形過程的機理，指導微結構的設計和制造過程，具有重要的理論意義和實用價值，并將為微/納機電系統(tǒng)的進一步發(fā)展提供理論基礎。
　　本文首先分析了微結構力學性能分子動力學仿真的一般方法，討論了適合于微結構力學性能仿真的勢能函數和求解算法，在此基礎之上，采用邊界層—恒溫層—牛頓層三層結構建立了

3、單晶Cu和單晶Si納米桿微結構單軸拉伸過程的三維分子動力學仿真模型。仿真中采用Sutton-Chen勢描述單晶Cu原子間的相互作用；采用Tersoff勢描述單晶Si原子間的相互作用。Verlet算法的速度格式用于求解運動方程。Visual C++和OpenGL語言分別用于計算程序和圖形顯示。分別從變形機理、能量演化、應力應變分析和拉伸速度對變形的影響等四個方面對單晶Cu和單晶Si納米桿拉伸過程在馳豫、彈性變形和塑性變形各個階段的力學行為

4、進行了較詳細的分析。計算結果表明，單晶Cu和單晶Si納米桿的拉伸過程均未發(fā)現位錯的運動，其變形機理為非晶態(tài)的塑性變形；根據應力應變曲線計算出的單晶Cu和單晶Si納米桿的拉伸強度遠遠高于宏觀塊狀材料，接近理論強度值，彈性模量的計算值和宏觀測量值基本吻合，沒有表現出和尺度相關。拉伸強度隨著拉伸速度的增大而增大，表現出應變速率強化機制。
　　其次，使用分子動力學仿真對單晶Cu和單晶Si薄膜的納米壓痕過程進行了仿真，以揭示其壓痕過程中的彈

5、塑性變形的力學機理并定量地提供出一些力學性能。金剛石壓頭原子和Cu原子之間的相互作用采用Morse勢描述；金剛石原子和Si原子之間的相互作用采用修改的Tersoff勢描述。為研究不同的壓痕深度對壓痕變形機理的影響，分別對幾種最大壓痕深度的情況進行了仿真。仿真結果表明，單晶Cu薄膜在壓痕過程的初期存在位錯的產生，但隨后又被非晶態(tài)的塑性變形取代。單晶Si晶體在壓痕過程中發(fā)生了由α相轉變?yōu)棣孪嗟南嘧?。根據載荷—壓深曲線計算出的壓痕硬度值大約比

6、試驗值高出一個數量級，接近理論硬度值。隨著最大壓痕深度的減小，單晶Cu和單晶Si薄膜試件的硬度和彈性恢復量均呈增大趨勢，表現出壓痕的尺度效應。在仿真的同時，提出了基于AFM的納米壓痕試驗的一般步驟并利用AFM金剛石針尖對真空蒸發(fā)鍍膜方法制得的單晶Cu薄膜的彈性模量和硬度進行了定量測量。對不同壓痕深度下的硬度值的測量得到了壓痕的尺度效應，證實了分子動力學仿真模型的有效性。
　　最后，針對分子動力學的計算瓶頸問題，提出了網格化分子動力