低維結(jié)構(gòu)和器件的物理力學(xué)耦合研究.pdf

1、在納米尺度，許多物質(zhì)和材料都具有非常奇特的物理、化學(xué)、力學(xué)性能和規(guī)律，而根據(jù)這些特性制成的各類納米器件和結(jié)構(gòu)擁有非常廣闊的應(yīng)用前景。本文使用以量子力學(xué)為基礎(chǔ)的密度泛函理論、Hartree-Fork從頭算理論以及半經(jīng)驗量子力學(xué)算法，結(jié)合經(jīng)驗的分子動力學(xué)模擬和量子分子動力學(xué)模擬，并配合連續(xù)介質(zhì)力學(xué)建模方法，針對關(guān)鍵納米材料結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)中的碳納米管力電耦合效應(yīng)和失效行為、單壁碳納米管電致伸縮變形、基于碳納米管振蕩器中的能量轉(zhuǎn)換和耗散、銅納米線在

2、碳納米管內(nèi)的結(jié)構(gòu)相變與破壞、多壁碳納米管各層手性存在的特殊規(guī)律和生長方式、以及生物納米復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中缺陷的自修復(fù)等一系列極為重要的低維結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)問題進行模擬計算和創(chuàng)新原理設(shè)計。在分子物理力學(xué)理論研究指導(dǎo)下，利用大規(guī)模并行計算模擬和力學(xué)理論建模，嘗試探索碳納米管系統(tǒng)中特異的物理力學(xué)耦合行為以及納尺度材料的結(jié)構(gòu)性能和生長機理，并理解生物材料自優(yōu)化機理，主要有以下一些新的發(fā)現(xiàn)： 1. 納米機電系統(tǒng)的發(fā)展要求智能材料具有大的應(yīng)變和高

3、功率密度以獲得優(yōu)良的能量轉(zhuǎn)換能力，碳納米管因其優(yōu)越的物理力學(xué)性能以及對外場（光、電、磁等）的高敏感性很有可能成為滿足上述要求的納智能材料。我們通過基于Roothaan-Hall方程的半經(jīng)驗量子力學(xué)計算和量子分子動力學(xué)模擬，揭示出機械載荷和電場共同作用下碳納米管的特殊物理力學(xué)耦合行為、電致破壞機理和力電耦合作用對納米管電學(xué)性能的重要影響。然后使用更為精確的Hartree-Fork從頭算法和密度泛函理論，發(fā)現(xiàn)單壁碳納米管在沿其軸向的外加電場

4、作用下，碳納米管的軸向具有超過10﹪的巨電致伸縮變形，所得到的單位體積功率密度要比已報道的鐵電、電致和磁致伸縮材料以及電致驅(qū)動聚合物高出近3個量級以上，而單位質(zhì)量功率密度比其它已知材料高出4個量級以上。 2. 多壁碳納米管因其極低的層間相互作用，在納米軸承和高頻納米振蕩器方面有著潛在的應(yīng)用前景。對于碳納米管振蕩器中存在的能量耗散問題，我們通過納秒量級的分子動力學(xué)模擬，發(fā)現(xiàn)雙層碳納米管的層間相互作用和摩擦力是與其手性和結(jié)構(gòu)以及環(huán)境

5、溫度密切相關(guān)的，對于手性匹配的雙層碳納米管振蕩器系統(tǒng)，它在振蕩中的能量耗散率要明顯地大于手性不匹配系統(tǒng)的能量耗散率。手性匹配的雙層碳納米管系統(tǒng)在低溫條件下的振蕩時間只能持續(xù)幾個納秒，而手性不匹配的雙層碳納米管系統(tǒng)在低溫條件下振蕩時間卻能達到幾十個納秒。但在較高溫度條件下，系統(tǒng)的能量耗散率顯著提高，溫度對層間摩擦力的影響會遠高于碳納米管手性造成的差異。 3. 碳納米管管腔作為一種理想的納尺度受限環(huán)境，許多物質(zhì)在其內(nèi)展現(xiàn)出不同于自由

6、狀態(tài)的結(jié)構(gòu)相變規(guī)律和行為特性。我們發(fā)現(xiàn)在合適的壓力和溫度條件下，銅納米線在碳納米管內(nèi)從它初始的面心立方（fcc）結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變成了共軸的圓柱狀多層結(jié)構(gòu)。碳納米管通過施加約束壓力和作為幾何結(jié)構(gòu)模板來影響填充其內(nèi)的銅納米線的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。而在有缺陷的單壁碳納米管內(nèi)，銅納米線隨溫度的升高展現(xiàn)出更為奇特的從固態(tài)到液態(tài)再到多層螺旋結(jié)構(gòu)的相變規(guī)律。溫度、可調(diào)的原子密度和管內(nèi)壓力是銅納米線在碳納米管缺陷所造成的部分受限環(huán)境中具有特殊結(jié)構(gòu)相變的主要原因。當(dāng)碳納米

7、管上存在類型和尺寸合適的缺陷并且填充在內(nèi)的銅納米線在高溫下產(chǎn)生足夠的壓力時，我們發(fā)現(xiàn)銅納米線會使碳納米管在缺陷處發(fā)生爆炸，大量的銅原子飛濺出來形成了納射流，與新近的實驗現(xiàn)象符合。 4. 碳納米管許多獨特優(yōu)異的物理、化學(xué)和力學(xué)性能往往取決于它的直徑和手性，然而到現(xiàn)在為止，人們在生產(chǎn)和制備碳納米管過程中還無法控制其手性，多壁碳管更為復(fù)雜。我們根據(jù)最低層間能量作用原理，發(fā)現(xiàn)雙壁碳納米管最匹配外管的手性角與內(nèi)管的手性角存在比例關(guān)系，并且

8、它們的手性角比值隨碳納米管直徑的增加而增加，但在小直徑情況下比值小于1。當(dāng)碳納米管直徑較大時，最匹配內(nèi)外管的手性角比值趨近于1。因此符合最低層間相互作用規(guī)律的多壁碳納米管在小直徑時具有近鋸齒型手性而在大直徑時表現(xiàn)出全同或近全同手性。低的生長溫度會明顯提高符合上述規(guī)則的可控手性碳納米管的出現(xiàn)概率，在此基礎(chǔ)上，我們提出了可控手性的多壁碳納米管低溫生長模式。 5. 生物進化總是人類創(chuàng)新的重要源泉。由納米尺度的蛋白質(zhì)層和礦物質(zhì)層組成的生

9、物復(fù)合材料具有突出的力學(xué)性能，而這種軟硬物質(zhì)組成的結(jié)構(gòu)也不可避免地對其自身的缺陷自修復(fù)能力產(chǎn)生影響。我們首先用有缺陷的銅納米晶體對軟硬邊界影響進行系統(tǒng)的分子動力學(xué)模擬，發(fā)現(xiàn)當(dāng)材料尺寸減小到和材料微觀缺陷尺寸接近或可比的程度后，施加軟邊界條件可以顯著提高銅納米晶體對缺陷的自修復(fù)能力，軟硬邊界在缺陷愈合處導(dǎo)致了不同的原子排布和位錯生成。發(fā)展已有的力學(xué)理論，提出了軟硬邊界條件下的缺陷自修復(fù)的理論模型，得到了和分子動力學(xué)模擬一致的理論預(yù)測趨勢。