Mechanical properties of silicon nanobeams with undercut evaluated by combining dynamic resonance test and finite element analysis

Mechanical properties of silicon nanobeams are of prime importance in nanoelectromechanical system applications. A numerical experimental method of determining resonant frequencies and Young's modulus of nanobeams by combining finite element analysis and frequency response tests based on an electrostatic excitation and visual detection by laser Doppler vibrometer is presented in this paper. Silicon nanobeams test structures are fabricated from silicon-on-insulator wafers by using a standard lithography and anisotropic wet etching release process, which inevitably generates the undercut of the nanobeam clamping. In conjunction with three-dimensional finite element numerical simulations incorporating the geometric undercut, dynamic resonance tests reveal that the undercut significantly reduces resonant frequencies of nanobeams due to the fact that it effectively increases the nanobeam length by a correct value Δ L, which is a key parameter that is correlated with deviations in the resonant frequencies predicted from the ideal Euler-Bernoulli beam theory and experimentally measured data. By using a least-square fit expression including Δ L, we finally extract Young's modulus from the measured resonance frequency versus effective length dependency and find that Young's modulus of silicon nanobeam with 200-nm thickness is close to that of bulk silicon. This result supports that the finite size effect due to surface effect does not play a role in mechanical elastic behaviour of silicon nanobeams with the thickness larger than 200 nm.     

尺寸相关的弹性常数对应变硅纳米线电学性质的影响

从Keating模型出发,基于离散化思想建立了计算单晶硅纳米线弹性常数和杨氏模量的半连续原子晶格力学模型. 从微扰理论和形变势理论出发,采用有限差分方法建立了计算不同晶向应变硅纳米线价带结构的数值模型. 结合上述的两个计算模型,进而应用经典弹道传输模型研究了轴向应力和弹性常数对p型硅纳米线弹道晶体管电学特性的影响. 研究结果表明,硅纳米线的弹性常数和杨氏模量呈现尺寸效应,该结果与分子动力学的模拟结果具有很好的一致性. 同时发现尺寸相关的弹性常数对硅纳米线晶体管输运电流的影响强烈依赖于单轴应力对输运电流的影 关键词： 应变硅纳米线 弹性常数 弹道电流 价带结构模型     

以三聚茚为核的星型电子受体材料的合成、 表征与光伏性能

以高度平面共轭的烷基取代三聚茚为中心核, 以噻吩基团桥联, 在末端连接氰基茚酮作为拉电子基团, 设计合成了一类星型受体分子2,2',2″-{[(5,5,10,10,15,15-己基-10,15-二氢-5H-二茚[1,2-a：1',2'-c]芴-2,7,12-三基)三(噻吩-5,2-二基)]三(亚甲基)}三(3-氧杂-2,3-二氢-1H-茚-2,1-二叉)三丙二腈(NFT-C6)和2,2',2″-{[(5,5,10,10,15,15-癸基-10,15-二氢-5H-二茚[1,2-a：1',2'-c]芴-2,7,12-三基)三(噻吩-5,2-二基)]三(亚甲基)}三(3-氧杂-2,3-二氢-1H-茚-2,1-二叉)三丙二腈(NFT-C10). NFT-C6和NFT-C10的最高占据轨道(HOMO)和最低未占轨道(LUMO)分别位于-5.66和-3.75 eV. 其薄膜在400~700 nm范围内具有较大的吸收强度, 最大吸收峰分别位于606和586 nm. 以聚[(2,6-{4,8-二[5-(2-乙基己基)噻吩-2-基]-苯并[1,2-b：4,5-b']二噻吩})-{5,5-(1',3'-二-2-噻吩基-5',7'-二(2-乙基己基)苯并[1',2'-c：4',5'-c']二噻吩-4,8-二酮)}](PBDB-T)为给体材料, 以NFT-C6或NFT-C10为受体材料制备了太阳能电池器件, 器件在300~700 nm之间具有较宽的响应光谱, 其光电转换效率(PCE)分别达到1.09%和5.23%. 原子力显微镜(AFM)结果表明, PBDB-T和NFT-C10共混制备的光伏器件活性层具有合适的相分离尺寸, 有利于激子的有效解离, 而PBDB-T: NFT-C6器件的活性层相分离尺寸过大, 增加了激子复合的几率, 使器件的短路电流、 填充因子和PCE降低. 研究结果表明, 基于三聚茚的星型光伏材料具有一定的应用前景.     

掺杂Si/SiO_2界面电子结构与光学性质的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,在局域密度近似(LDA)下研究了B掺杂Si/SiO_2界面及其在压强作用下的电子结构和光学性质.能带的计算结果表明:掺杂前后Si/SiO_2界面均属于直隙半导体材料,但掺B后界面带隙由0. 74 eV减小为0. 57 eV,说明掺B使材料的金属性增强;对B掺杂Si/SiO_2界面施加正压强,发现随着压强不断增大,Si/SiO_2界面的带隙呈现了逐渐减小的趋势,并且由直隙逐渐转变为间隙.光学性质的计算结果表明:掺B对Si/SiO_2界面在低能区(即红外区)的介电函数虚部、吸收系数、折射率以及反射率等光学参数有显著影响,且在红外区出现新的吸收峰;对B掺杂Si/SiO_2界面施加正压强,随着压强增大,红外区的吸收峰逐渐消失,而在紫外区出现了吸收峰.上述结果表明,对Si/SiO_2界面掺B及施加正压强均可调控Si/SiO_2界面的电子结构与光学性质.本文的研究为基于Si/SiO_2界面的光电器件研究与设计提供一定的理论参考.     

Translocation of Biopolymer Chain Through a Nanopore: Coil--Helix Transition

The translocation dynamics of a single biopolymer chain through a nanopore in a membrane is investigated by taking the coil-helix transition into account. Based on the changing of the free energy due to the coil-helix transition, the mean first passage time T is obtained, and then the corresponding numerical simulations are presented under different conditions. It is shown that the coil--helix transition can significantly shorten the translocation time of the biopolymer chain. In addition, we also discuss the scaling behaviour for T with the chain length N and some related problems.     

气体吸附对V掺杂石墨烯电子结构与光学性质的影响

基于密度泛函理论(DFT)的广义梯度近似(GGA),采用第一性原理方法研究了气体分子吸附对V掺杂石墨烯的吸附能、电子结构与光学性质的影响．能带结构计算表明:吸附NO₂分子的V掺杂石墨烯的带隙显著增加,从0 e V变为0.368 e V,由金属性转变为半导体特性,而吸附CO与NH₃分子的V掺杂石墨烯的带隙则变化很小．三种吸附构型(NO₂,CO,NH₃)的吸附能分别为-8.499 e V、-2.05 e V和-2.01e V,说明V掺杂石墨烯对NO₂气体分子吸附最强．进而计算了本征、V掺杂石墨烯及其吸附NO₂分子的光学性质,结果表明:随着V掺杂与吸附NO₂气体,石墨烯介电吸收峰值有所增大,介电峰位向低能量区域移动;本征石墨烯仅吸收紫外光,V掺杂石墨烯吸附NO₂分子可以明显拓宽光吸收的光谱范围;掺杂与吸附使得石墨烯光电导率显著增强,能在红外与可见光区产生光电流．上述结果表明V掺杂石墨烯吸附NO₂后...     

单链高分子在纳米孔隙中的跨膜输运问题

针对单链高分子通过薄膜上纳米孔隙的输运这一现象分别首次实验和理论方面介绍了现今的研究进展情况.文中以理论和实验上共同关注的单链高分子跨膜输运的平均通过时间问题展开论述.具体地,作者考察了薄膜的厚度、薄膜的曲率、膜两侧的溶剂性质、单链高分子聚集态的变化以及链间相互作用等因素对输运过程的影响,并讨论了与这些因素相对应的实际应用.同时,分别对几个研究组的实验结果、解析以及模拟的理论结果进行了分析比较,旨在促进这一现象在相关领域的研究.     

受限于对称性破缺狭缝间氢键流体的相平衡研究

利用密度泛函理论并结合改进的基本度量理论研究了受限于对称性破缺狭缝间氢键流体的相平衡. 首先根据氢键流体的吸附-脱附等温线及相应巨势获得不同条件下氢键流体的相图. 进一步讨论了氢键作用、狭缝间距、狭缝与流体分子间相互作用及对称性破缺程度等因素对氢键流体相平衡的影响. 结果表明, 由于狭缝与流体分子及流体分子间的相互作用存在竞争, 使得受限于对称性破缺条件下的氢键流体呈现更为复杂的相态特征.     

应变石墨烯纳米带谐振特性的分子动力学研究

从动势能转换与守恒原理出发,在微正则(NVE)系综下,采用COMPASS力场对石墨烯纳米带及其应变传感器的谐振特性进行了分子动力学模拟.研究发现,非线性响应主导了石墨烯纳米带的动态行为,而其超高的基波频率则与长度和边界条件密切相关;单轴拉伸应变对石墨烯纳米带基波频率的影响显著且强烈依赖于边界条件,四边固支型应变石墨烯纳米带具有更高的频移,其灵敏度可高达7800 Hz/nanostrain,远大于相同长度碳纳米管应变传感器的灵敏度;石墨烯纳米带及其应变传感器的谐振特性均与手性无关.本文所得结果表明,由于超低 关键词： 石墨烯纳米带 分子动力学 应变 基波频率     

硬核Yukawa流体中胶体粒子间的耗尽势

基于Roth、Evans和Dietrich有关耗尽势的密度泛函理论研究了硬核Yukawa(HCY)流体中胶体粒子间的耗尽势.在极稀溶液条件下,通过计算两个胶体粒子在不同条件下的耗尽势,分析了HCY流体的相关因素对耗尽势的影响.结果表明,胶体粒子与溶剂分子的尺寸比率、HCY流体分子间的相互作用、HCY流体分子的体相密度以及胶体粒子与流体分子之间的相互作用等因素均可对胶体粒子间耗尽势产生显著影响.研究结果可为实验上调控胶体粒子间的相互作用提供可能的线索.