● 摘要
氢化纳米硅薄膜以其独特的光电特性不仅在二极管，传感器，太阳能电池等器件上有着广阔的应用前景，而且在微电子机械系统（MEMS）中也得到了大量的应用。氢化纳米硅薄膜在各种MEMS器件中会受到不同的荷载作用，就会对器件的稳定性和寿命产生影响。若使得器件获得可靠的稳定性，研究氢化纳米硅薄膜对荷载的响应就成为必然。采用纳米压痕技术对氢化纳米硅薄膜的力学特性的实验测试研究已经取得进展。然而，由于压痕试验在理论和操作上的限制，不能完全获得薄膜对荷载响应的所有信息。随着有限元技术的发展，成熟的有限元计算软件为实现模拟实验过程提供了强有力的手段。本文运用有限元程序ABAQUS/Standard，建立纳米压痕的有限元模型，并对模拟结果进行了分析与讨论，对于一般薄膜基底系统，可以得出以下结论。 薄膜的厚度与压痕深度之间的对比关系对实验的结果有着很大的影响。薄膜厚度越小，那么压痕深度就必须很小，当压入深度超过薄膜厚度的一半时，基底的影响就会非常明显。在不同厚度的薄膜上进行的同一压痕深度的模拟结果也表明了薄膜压痕的深度在一定范围内才能更精确地测得薄膜的特性。薄膜和基底的弹性模量之间的关系也决定着压痕结果的有效性。薄膜和基底弹性模量的总值越大，膜基体系内局部的残余应力就越大，存在残余应力的范围也扩大。一般来说，压痕深度越大，卸载后的残余深度也就越大。压入深度相同时，薄膜厚度越大，残余深度就愈小；弹性模量越大，薄膜和基底的弹性模量越大，残余深度也相应地增大。完全撤消压针荷载后，薄膜的上表面出现了堆积现象。在压痕过程的卸载阶段，基底恢复弹性形变时对薄膜产生作用，而压针下的薄膜产生不可恢复的塑性形变，以至于薄膜上表面出现堆积。最后建立了纳米硅薄膜力学特性的有限元模拟模型，并把模拟结果与实验结果进行比较。通过比较得出，氢化纳米硅薄膜的弹性模量为45GPa、屈服应力为4.5MPa、泊松比为0.3是比较合适的，并推算出其硬度为2.5GPa。