原位原子尺度下納米線室溫力學(xué)性能與行為的研究.pdf

1、材料在納米尺度表現(xiàn)出許多不同于其體材料的力學(xué)性能與行為，納米尺度材料的力學(xué)行為以及應(yīng)力下結(jié)構(gòu)的演變是當(dāng)前納米力學(xué)研究的熱點(diǎn)問題之一。目前，基于納米材料(納米線管/線，薄膜)多種功能器件的設(shè)計、組裝、集成，特別是可卷曲柔性電子器件的發(fā)展，迫切的需要了解納米尺度下材料的力學(xué)性能、行為及結(jié)構(gòu)演變。然而，由于納米材料極小的尺度，如何在原位觀測尤其是原子尺度的原位觀測下實(shí)現(xiàn)對納米材料單體的操控，進(jìn)而研究單體納米材料的行為變化以及原子尺度的結(jié)構(gòu)演變

2、是一個極具挑戰(zhàn)性的工作。 本論文利用自主創(chuàng)新的多種納米力學(xué)測試方法，以單晶Si納米線和非晶SiO2納米線為研究對象，實(shí)現(xiàn)了高分辨透射電子顯微鏡鏡中的原位單軸拉伸和彎曲實(shí)驗，研究了單晶Si和非晶SiO2玻璃在尺度降至100nm以下時的室溫力學(xué)行為以及在原子尺度上研究了它們在應(yīng)變下的結(jié)構(gòu)演變過程。具體的研究內(nèi)容如下： 1．實(shí)現(xiàn)了單根Si納米線的原位拉伸，首次發(fā)現(xiàn)Si納米線在室溫環(huán)境中能夠發(fā)生大的拉伸應(yīng)變塑性行為；對不同直徑的

3、納米線進(jìn)行拉伸，研究了直徑對拉伸塑性的影響，發(fā)現(xiàn)隨著直徑的減小，納米線的拉伸塑性增大；利用高分辨顯微術(shù)、能量損失以及能譜原位動態(tài)的研究了Si納米線在拉伸變形過程中微結(jié)構(gòu)的演變并揭示了大應(yīng)變塑性的原子機(jī)理，發(fā)現(xiàn)大應(yīng)變塑性是通過位錯形核、位錯運(yùn)動、非晶相變及非晶處頸縮實(shí)現(xiàn)的；分析探討了Si納米線這種不同于體材料的室溫力學(xué)行為的可能因素。 2．利用高分辨顯微學(xué)研究了Si納米線彎曲下結(jié)構(gòu)形態(tài)的演變，直接在原子尺度上觀測到了位錯動態(tài)過程；

4、揭示了不同彎曲階段下的塑性方式。發(fā)展了原子尺度的應(yīng)變分布研究方法：應(yīng)用此方法，成功的揭示了彎曲Si納米線在彈塑轉(zhuǎn)變中應(yīng)變分布的變化，首次發(fā)現(xiàn)Si納米線的拉壓應(yīng)變中軸線在彈性失穩(wěn)后向拉應(yīng)力表面偏移；通過應(yīng)變分布的研究，揭示了在壓應(yīng)變區(qū)域會產(chǎn)生納米尺度的屈曲結(jié)構(gòu)，這種屈曲結(jié)構(gòu)與拉應(yīng)力表面的臺階結(jié)構(gòu)是由于非對稱應(yīng)力狀態(tài)造成的不同失穩(wěn)形態(tài)。 3．利用三種實(shí)驗裝置，實(shí)現(xiàn)了非晶SiO2納米線的單軸拉伸，首次發(fā)現(xiàn)SiO2玻璃尺寸降至納米尺度時

5、，在拉應(yīng)力下能夠展現(xiàn)出超過106％的大應(yīng)變塑性，不同于體材料SiO2玻璃的室溫脆性性能；研究了不同應(yīng)變速率下非晶SiO2納米線的力學(xué)性能及斷裂行為，發(fā)現(xiàn)拉伸塑性強(qiáng)烈的依賴于應(yīng)變速率的大小，并且隨著應(yīng)變速率的增大，SiO2納米線由室溫韌性斷裂轉(zhuǎn)變至脆性斷裂；利用高分辨顯微術(shù)和能量損失譜原位的研究了拉伸過程中非晶SiO2納米線的結(jié)構(gòu)演化，并結(jié)合分子動力學(xué)模擬的結(jié)果，給出了非晶SiO2納米線的塑性機(jī)理；結(jié)合實(shí)驗結(jié)果和分子動力學(xué)的模擬結(jié)果探討了