表面応力を考慮したナノサイズ領域に対する応力解析の新展開と検証

2003 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 14550070
• Research Institution: Nagaoka University of Technology
• Principal Investigator: 古口 日出男 長岡技術科学大学, 工学部, 教授 (90143693)
• Keywords: 表面応力 / 分子動力学 / 境界条件 / 境界要素法 / 凝着 / 表面剛性率 / センサー / ナノマシン

Research Abstract

昨年度の研究成果から,表面ひずみによる表面応力の変動はかなり小さく,解析結果に大きい影響は与えないと考えられる.そこで,表面応力を境界条件に考慮した解析方法を様々な表面現象の解析に適用するための基礎的研究を行った。
1.表面応力がステップ状に変化する表面の変位を異方性弾性論により解析し,簡単な表示式を導出することができた。この関係式をもとに,Si表面をAs,Geなどの異原子で覆った場合に表面近傍のSi原子の原子間距離が変化すること,その変化した原子間距離が表面応力の差{Siの表面応力-(異原子とSi間の表面応力)}で計算できることを示した.これらの表面応力は第一原理計算で得られた値を使っいる.
2.表面応力を考慮した2物体間の凝着に関する応力解析を行った。凝着を起こすと、その周囲の部分の表面エネルギより凝着した部分の表面エネルギが低下する。そのために低下した領域の縁にプリズマティック転位ループが発生する。これが凝着力の一部を形成する。さらに,表面エネルギを導入することにより2物体を引き離すに要する力と変形の関係を調べた。その結果、表面応力を考慮したJRK理論に相当する理論を新たに構築することができた。ここで導出した関係式を用いて球面と平面間の凝着力と凝着半径について実験結果と比較した.マイクロメータサイズの球面については理論と一致することを示すことができた.
3.表面にステップがある場合の解析において,表面グリーン関数と表面ダイポールの関係が必要であることがわかってきた.そこで,表面応力を考慮した表面グリーン関数の導出を行い、表面ステップ近傍の変形状態を分子動力学の結果と比較し,式の妥当性を検討した.その結果,ナノメータ領域における応力解析に有効であることがわかった.

Research Products

• [Publications] 古口 日出男, 清水 明: "分子動力学を用いたひずみに対する表面応力の関係"日本機械学会2002年度年次大会講演論文集. No.02-1. 233-234 (2002)
• [Publications] 古口 日出男, 清水 明: "異原子付着による表面応力の変化に対する分子動力学解析"日本機械学会計算力学講演会講演論文集. (2002)
• [Publications] Hideo Koguchi: "A SURFACE DEFORMATION INDUCED IN ORTHOTROPIC MATERIALS SUBJECTING TO A VARIATION OF SURFACE STRESSES"Proceedings of Mesomechanics 2003. (発売予定). (2003)