納米晶超晶格的形成機理及力學性能研究.pdf

1、納米晶超晶格是一種由有機分子（配體）包覆的納米晶通過自組裝構筑而成的二維或三維空間周期性的長程有序超結構。由于具有獨特的光電磁性質以及靈活的可調(diào)控性，納米晶超晶格在電子、光電、熱傳導和大陽能電池等領域具有巨大的應用潛力，是目前化學材料領域的一個前沿研究熱點。研究納米晶超晶格的形成機理和力學性能對其制備合成與器件應用有著重要的理論指導意義。本文主要圍繞納米晶超晶格的形成機理與結構力學性能展開了系統(tǒng)的理論模擬研究，主要工作可歸納如下:

2、>　　本文利用布朗動力學模擬研究了十二硫醇修飾的金納米晶在甲苯-空氣界面的自組裝行為。隨著晶粒尺寸從3 nm增加到9 nm，研究發(fā)現(xiàn)金納米晶組裝成三種不同的相態(tài)，即耗散相、類圓形團簇和分散晶粒共存的混合相以及致密的樹枝分形相。研究結果表明納米晶的組裝相態(tài)是由其相互作用強度Φc決定的，并且Φc≈-3.5KBT最適合組裝成完整的六方排布的單層膜結構。這些模擬結果對制備金納米晶單層膜材料具有重要的意義，因為納米晶的相互作用可以通過改變晶粒尺寸

3、、配體長度以及溶劑性質來調(diào)控。
　　納米晶的相互作用對理解超晶格的形成機理與力學性能有著重要的意義。本文利用原子尺度受限分子動力學模擬研究了硫醇修飾的正四面體金納米晶在真空中的相互作用。研究發(fā)現(xiàn)正四面體金納米晶的相互作用強烈依賴于納米晶的柔軟度（配體長度與晶粒尺寸的比值）。當柔軟度較小的時候，正四面體金納米晶的相互作用與晶粒排列取向有關，表現(xiàn)出最強的面對面相互作用。然而，隨著柔軟度的逐漸增加，正四面體金納米晶的相互作用會從各向異性

4、向各向同性轉變。研究還發(fā)現(xiàn)配體長度和晶粒尺寸的改變均會影響正四面體金納米晶的相互作用強度。
　　晶粒間距對納米晶超晶格的光電性質至關重要?；谠映叨确肿觿恿W模擬，本文系統(tǒng)研究了晶粒尺寸、配體長度和外部壓強對硫醇修飾的金納米晶超晶格晶粒間距的影響。研究表明晶粒間距隨配體長度的增加而線性增加，隨壓強的減小而增加，然而與納米晶尺寸無關，這與實驗數(shù)據(jù)吻合。另外，通過比較晶粒間距與一對納米晶平衡距離的大小，發(fā)現(xiàn)納米晶超晶格內(nèi)部存在排斥的

5、多體作用。結果表明，配體越長和晶粒尺寸越小，納米晶超晶格的多體作用就越強。
　　納米晶超晶格的力學性能對其實際應用有著重要的意義。本文利用原子尺度分子動力學模擬系統(tǒng)研宄了晶粒尺寸、配體長度和晶粒結晶度對硫醇修飾的金納米晶超晶格彈性性質的影響。結果表明金納米晶超晶格的楊氏模量在1 GPa左右，剪切模量在100 MPa左右。研究發(fā)現(xiàn)，隨著晶粒尺寸增加超晶格的楊氏模量明顯減小而剪切模量基本不變;隨著配體長度增加超晶格的楊氏模量增加但剪切

6、模量減小。此外，當納米晶由多晶變?yōu)橄嗤叽绲膯尉r，超晶格的楊氏模量會顯著增加。這些結果可以歸因于晶粒尺寸、晶粒形狀和配體長度的變化而引起的配體-配體相互作用改變。
　　本文利用原子尺度分子動力學模擬研究了硫醇修飾的金納米晶超晶格彈性性質的拉壓不對稱性。研究發(fā)現(xiàn)在單軸拉伸和壓縮狀態(tài)下，金納米晶超晶格表現(xiàn)出明顯不對稱的彈性常數(shù)C11和C12，然而在正負純剪狀態(tài)下C44是對稱的。研究結果表明，配體在壓縮狀態(tài)下相互作用得更多使超晶格變硬

7、，而在拉伸狀態(tài)下相互作用得較少使超晶格變軟，從而導致了C11和C12的彈性不對稱性。此外，超晶格拉壓彈性不對稱性與配體長度和晶粒尺寸均無關。
　　本文利用粗顆粒化分子動力學模擬研究了硫醇修飾的金納米晶單層膜的單向拉伸力學行為。結果表明，單層膜的楊氏模量在6-15 GPa范圍內(nèi)，并隨著晶粒尺寸的增加和配體長度的減小而減小。研究發(fā)現(xiàn)，在內(nèi)部產(chǎn)生缺陷之前，超晶格經(jīng)歷了彈性和非彈性兩個變形階段。隨著應變的增大，單層膜的破壞從內(nèi)部開始，同時