低维材料力电性能测试理论和表征方法研究

Considering the effects of substrate deformation and dynamic characteristic of the substrates, we will study and develop two models for measuring and testing the mechanical and electrical properties of low dimensional materials: 1) novel static/dynamic micro/nano-bridge test method for one dimensional materials, e.g., nanowire, nanotube, etc.; and 2) novel blister testing method for thin films. Employing the nonlocal theory, the effect of the material's intrinsic length will be taken into consideration. And using the JKR model in contact mechanics, the adhesion between the tested material and the indenter will be considered. Furthermore, the mechanics of the testing models for low dimensional ferroelectric materials with electro-mechanical coupling properties will be developed. The inverse method will be studied and the software for the mechanics analysis and data processing in the static and dynamic bending tests will be developed. Experiments will be conducted to validate the proposed theories and methods. Finally, systematical testing and characterization methods for low dimensional materials will be established. The project is extremely important not only to the development of mechanics and interrelated subjects, but also to the development of micro/nano electro mechanical systems (MEMS/NEMS) and the interrelated industries.

考虑基体变形和基体质量特性的影响，研究建立两类低维材料力电性能的测试理论和方法：1）新的纳米线（管）动静态微纳桥测试理论和方法；2）新的纳米薄膜鼓泡实验理论和方法。基于非局部理论，建立考虑材料内禀尺度的实验理论，给出适用于微纳观多尺度的实验方法；根据接触力学JKR理论，建立考虑低维材料和实验压头之间黏附性能的弹塑性实验理论模型；融入电学性能，给出低维铁电材料力电性能的实验理论模型；研究相应的反演方法，实现力电性能的实验测试；在理论研究的基础上，开发通用的低维材料动静态弹塑性实验力学分析和实验数据处理软件；开展实验测试研究，验证实验理论体系、实验方法和取得的理论成果。最终给出完善的低维材料性能的动静态微纳桥、鼓泡等弯曲实验方法理论体系和系统的表征方法。该项目研究对力学等相关学科的发展具有重要的理论意义，对微/纳力电系统（MEMS/NEMS）等相关行业的发展具有重要的应用价值。

材料的力、电等性能直接影响着微/纳电子机械系统的耐久性和可靠性，但低维材料的尺度给实验测试带来很大困难。本项目研究给出了三类测试方法，同时研究了界面、热对低维材料的影响，具体取得了以下成果：. 1) 考虑材料的力电耦合特性和内禀尺度参数，研究低维压电材料弯曲测试方法，给出考虑基体变形的压电悬臂梁法和微纳桥法理论模型的解析解。同时考虑基体变形和材料内禀尺度下，微桥大挠度弯曲的解析解，利用实验数据拟合，求得硅基体上的氮化硅的杨氏模量、残余应力和尺度参数。为压电材料的弯曲测试提供正确的理论依据。. 2) 研究理想弹塑性多层薄膜压痕试验方法中载荷-压入深度关系，给出考虑残余应力影响的多层薄膜的压痕应力表达式。给出梯度薄膜压痕方法测试弹性模量的表征理论和方法，针对不同压头的梯度薄膜压痕实验编制了测试系统。为薄膜材料的弹性模量、残余应力、界面断裂韧度等力学参数测试提供了压痕实验方法。. 3) 研究给出力-电耦合载荷下介电/压电材料的双悬臂梁模型，给出能量释放率解析解，研究裂纹面感生静电力对裂纹扩展的影响。将双梁模型看作薄壁结构，利用边界元方法研究，编制了Mathematic软件，对薄壁结构重新进行边界元数值模拟，同时将静电力融入到边界元程序中，提供了低维压电材料双悬臂梁模型的边界元软件和数值分析方法。. 4) 针对薄膜/基体、双悬臂梁等模型中的界面裂纹，考虑温度的影响，建立了边界积分-微分方程，运用边界积分方程方法，研究了界面裂纹的震荡奇异性和强度因子。将Delta函数用Gaussian分布函数表示，消除裂纹尖端的振荡奇异性，得到不同形状单元的广义不连续位移基本解，编制边界元程序，研究界面、温度对低维材料断裂的影响。. 5) 分析石英晶体平板厚度振动的二维标量微分方程（S-T方程）的变分形式，研究不同类型石英晶体谐振器、滤波器的厚度振动特性，为低维材料石英晶体谐振器、滤波器的生产和加工提供理论依据。