基于分子动力学的纳机电开关的静态分析

　　1　引言

　　纳机电系统(NEMS)是基于纳米科技发展起来的新兴前沿技术,由于其优良的机械及电特性而备受人们关注,但NEMS的研究仍处于起步阶段。目前研究的NEMS器件主要有纳生物器件、纳传感器件、纳信息器件等^[1] ,由于NEMS的特征尺度在亚纳米到数百纳米,因此纳米器件的设计、仿真在其研究中所起的作用尤为重要。在有的情况下,经典的理论和概念仍然可能提供设计和分析的适当基础,但在一般情况下,还需要引入量子力学和统计理论的概念,例如对碳纳米管齿轮制造过程的仿真就需用到分子动力学^[2] 。

　　本文应用分子动力学仿真技术研究了纳机电开关工作过程中碳纳米管的弯曲变形特性,这对于全面认识纳结构变形过程的机理,指导纳结构的设计、仿真和制作过程具有重要的理论意义和实际应用价值,将为NEMS的进一步发展提供坚实的理论基础。

　　2　三维纳机电开关的模型

　　碳纳米管、纳米带等一维纳米结构具有独特的力学性能,用该结构可以构成纳机电开关^[3] ,其工作原理如下:作用在碳纳米管悬臂梁上的电压使碳纳米管发生变形,当电压达到一定值时碳纳米管与基体接触,此时纳机电开关处于工作状态;当将电压降至为0时,碳纳米管离开基体,开关处于断开状态。本文建立的纳机电开关仿真模型如图1所示。

　　单壁碳纳米管的半径为0 .6 nm,长度为6. 5 nm。采用铜作为电极材料,原子构型取5×5×2个晶胞。基体也采用铜作为材料,原子构型取10×4×18个晶胞。为保证弯曲过程中温度恒定,对恒温区中的原子进行速度标定,标定因子采用(1)式进行计算

　　式中:kB为波尔兹曼常数,N为恒温区中总的原子数,T为系统温度,m为原子质量,v为原子速度。

　　3　势函数的选择

　　分子动力学模拟结果的准确性取决于原子间势函数的选取和势参数的准确性,因此势函数的选择是分子动力学模拟的前提条件。采用分子动力学方法研究纳米结构经常选择以下几种经验势:Lennard-Jones(L-J)势^[4] 、Born-Meyer势、Morse势^[5] 、Tersoff势^[6] 、MEAM势^[7] 和Tersoff-Brenner势^[8]

　　本文对于C—C原子间相互作用采用的是Ter-soff-Brenner势函数,其表达式为

　　式中:f为截断函数,D为势函数势阱的深度,S和β为拟合参数(与原子类型相关),R为原子间距,G为键角函数,H为径向重叠函数,NH,NC分别为氢、碳原子数目。

　　键角函数G的函数形式如(6)式所示,