金屬納米線和石墨烯納米材料的結(jié)構(gòu)與力學(xué)性質(zhì)研究.pdf

1、低維納米材料具有不同于塊體材料的獨(dú)特幾何結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的力學(xué)、電學(xué)和化學(xué)等性質(zhì)，被廣泛認(rèn)為是建構(gòu)下一代高性能納米器件的理想基元。對其結(jié)構(gòu)和力學(xué)行為的探索一直以來都是納米科技領(lǐng)域的重要基礎(chǔ)前沿之一，大量有潛在應(yīng)用價值的新現(xiàn)象不斷被發(fā)現(xiàn)，這對設(shè)計納米器件、控制其功能以及優(yōu)化性能具有重要的指導(dǎo)意義。本論文利用分子動力學(xué)方法，結(jié)合基于密度泛函理論的第一性原理計算，研究了兩類典型的低維納米體系--金屬納米線和石墨烯納米材料的結(jié)構(gòu)與力學(xué)性質(zhì)，主要研究結(jié)

2、果如下：
　　 1、多殼層Ni納米線結(jié)構(gòu)和尺寸相關(guān)的彈性和動力學(xué)性質(zhì)研究。實驗已證實直徑為幾個納米的金屬納米線存在豐富的幾何結(jié)構(gòu)，我們通過模擬退火算法得到了與之相似的有效直徑在0.64 nm到1.52 nm之間的Ni納米線螺旋狀和晶狀結(jié)構(gòu)?；诹孔覵utton-Chen多體勢的分子動力學(xué)模擬表明楊氏模量存在明顯的幾何和尺寸相關(guān)效應(yīng)。通過進(jìn)一步解耦合表面殼層與內(nèi)殼層相互作用，我們發(fā)現(xiàn)雖然兩者間的相互作用能比較大，但其對納米線硬度的

3、貢獻(xiàn)較小。隨后我們利用Parrinello-Rahman恒壓模型比較了螺旋與晶狀納米線的軸向振動行為，結(jié)果表明相近直徑的兩類納米線的動力學(xué)響應(yīng)特性也表現(xiàn)出顯著的差異。最后我們通過理想自由桿的連續(xù)介質(zhì)力學(xué)模型，定性解釋了恒外力作用下的軸向振動數(shù)值模擬結(jié)果。這些結(jié)構(gòu)和尺寸相關(guān)的力學(xué)行為的差異，為實驗上區(qū)分兩類結(jié)構(gòu)的納米線提供了一類可能有效的手段。
　　 2、金屬納米線的單軸應(yīng)力致結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變與偽彈性研究。首先，超細(xì)金屬納米線從晶狀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)

4、變?yōu)樾缕娴穆菪Y(jié)構(gòu)已有實驗證實，而對其逆轉(zhuǎn)變則鮮有報道。我們用基于嵌入原子勢的分子動力學(xué)方法和基于密度泛函理論的第一性原理計算系統(tǒng)研究了尺寸、單軸應(yīng)力和弛豫溫度對銅(Cu)納米線結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的影響，結(jié)果表明晶狀→螺旋結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變及其可逆轉(zhuǎn)變在一定尺度范圍內(nèi)都可能實現(xiàn)。當(dāng)有效線徑小于0.8 nm時，螺旋結(jié)構(gòu)占據(jù)優(yōu)勢；而對更大尺度的納米線，單軸應(yīng)力在高溫下可引發(fā)螺旋→晶狀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。對12-7-1螺旋結(jié)構(gòu)納米線的進(jìn)一步研究表明，在這一尺度下螺旋→晶狀

5、結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變甚至比常規(guī)的晶狀→螺旋結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變更加容易實現(xiàn)。由于Cu納米線的楊氏模量、量子電導(dǎo)等物理量對其原子結(jié)構(gòu)非常敏感，這一可逆的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變對進(jìn)一步分析原子結(jié)構(gòu)表征精度不高的力控斷裂結(jié)實驗結(jié)果有重要的指導(dǎo)意義，對納米繼電器、傳感器和制動器也有潛在的應(yīng)用價值。
　　 其次，F(xiàn)e納米線存在有趣的應(yīng)力致Martensitic相變和<110>→<001>晶向重構(gòu)行為，而在面心立方金屬納米線中普遍存在的自發(fā)重構(gòu)和偽彈性行為則未在體心立方金屬納米

6、線中有研究報道。我們通過基于嵌入原子勢的分子動力學(xué)方法研究了橫截面積從10.8×10.4A2到59.3×56.7A2的Fe納米線自發(fā)<110>→<001>重構(gòu)和偽彈性行為。結(jié)果表明<110>→<001>晶向重構(gòu)存在復(fù)雜的溫度依賴效應(yīng)，并且其偽彈性恢復(fù)應(yīng)變高達(dá)30％。Fe納米線獨(dú)特的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系將導(dǎo)致一個有趣的力學(xué)現(xiàn)象，即大約4％的小壓縮應(yīng)變即可引發(fā)自發(fā)的<110>→<001>晶向重構(gòu)。這些研究結(jié)果進(jìn)一步豐富了Fe納米線的溫度和應(yīng)力響應(yīng)

7、行為，有望成為智能納米材料特別是智能傳感器的理想基元。
　　 3、石墨烯納米材料應(yīng)力和溫度場中的力學(xué)性質(zhì)和缺陷演化研究。首先，碳單原子鏈由于其超高的穩(wěn)定性和邏輯分子開關(guān)特性，使其成為納電器件的理想基元。當(dāng)前最關(guān)鍵的問題是實驗中仍然缺乏高效的制備碳單原子鏈的方法，這限制了它的實際應(yīng)用。利用基于AIREBO勢的分子動力學(xué)方法，我們進(jìn)一步研究了實驗上尚未探索的高溫和大變形下石墨烯納米帶結(jié)構(gòu)演化和斷裂力學(xué)機(jī)制，并成功觀察到了前人電子輻照

8、實驗中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的大量非六元環(huán)和超長的碳單原子鏈。結(jié)果表明，高溫下缺陷會進(jìn)一步誘導(dǎo)非常穩(wěn)定的碳單原子鏈；而在低溫下，石墨烯納米帶的斷裂行為由于缺陷的顯著局域化表現(xiàn)為脆性斷裂。進(jìn)一步研究zigzag石墨烯納米帶在高溫下的塑性形變力學(xué)行為，我們發(fā)現(xiàn)了一類大量非六元環(huán)連接的新型armchair-zigzag橋接結(jié)構(gòu)?；谶@些結(jié)果，我們提出了一類高效的制備超長碳單原子鏈和混合邊緣石墨烯納米橋接結(jié)構(gòu)的方法，即通過力控斷裂結(jié)和Joule加熱技術(shù)實現(xiàn)的

9、，基于石墨烯納米帶的力熱綜合調(diào)控方法。
　　 其次，石墨烯應(yīng)用在高性能力電器件中不可避免的一個問題是持續(xù)的外力和應(yīng)變可能引發(fā)材料的納米級損傷，這將減小器件的生命周期并降低其性能。利用基于AIREBO勢的分子動力學(xué)模擬，通過剛性C60分子穿透石墨烯層制造納米損傷，我們發(fā)現(xiàn)適當(dāng)?shù)臒崽幚砜梢詫崿F(xiàn)損傷的自修復(fù)。自修復(fù)的動力學(xué)過程表現(xiàn)出一類有效的兩階段動力學(xué)機(jī)制：第一階段損傷附近會集結(jié)缺陷，造成局部曲率；第二階段通過鍵的斷裂和重組，缺陷會