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(duì)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(jià)值的新現(xiàn)象不斷被發(fā)現(xiàn)，這對(duì)設(shè)計(jì)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(dòng)力學(xué)方法，結(jié)合基于密度泛函理論的第一性原理計(jì)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(dòng)力學(xué)性質(zhì)研究。實(shí)驗(yàn)已證實(shí)直徑為幾個(gè)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(shì)的分子動(dòng)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(duì)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(dòng)行為，結(jié)果表明相近直徑的兩類納米線的動(dòng)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(dòng)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)證實(shí)，而對(duì)其逆轉(zhuǎn)變則鮮有報(bào)道。我們用基于嵌入原子勢(shì)的分子動(dòng)力學(xué)方法和基于密度泛函理論的第一性原理計(jì)算系統(tǒng)研究了尺寸、單軸應(yīng)力和弛豫溫度對(duì)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?cè)谝欢ǔ叨确秶鷥?nèi)都可能實(shí)現(xiàn)。當(dāng)有效線徑小于0.8 nm時(shí)，螺旋結(jié)構(gòu)占據(jù)優(yōu)勢(shì)；而對(duì)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(duì)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(shí)現(xiàn)。由于Cu納米線的楊氏模量、量子電導(dǎo)等物理量對(duì)其原子結(jié)構(gòu)非常敏感，這一可逆的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變對(duì)進(jìn)一步分析原子結(jié)構(gòu)表征精度不高的力控?cái)嗔呀Y(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)果有重要的指導(dǎo)意義，對(duì)納米繼電器、傳感器和制動(dòng)器也有潛在的應(yīng)用價(jià)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(bào)道。我們通過基于嵌入原子勢(shì)的分子動(dòng)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(gè)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(chǎng)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(shí)驗(yàn)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(shí)際應(yīng)用。利用基于AIREBO勢(shì)的分子動(dòng)力學(xué)方法，我們進(jìn)一步研究了實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的大量非六元環(huán)和超長(zhǎng)的碳單原子鏈。結(jié)果表明，高溫下缺陷會(huì)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(zhǎng)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?cái)嗔呀Y(jié)和Joule加熱技術(shù)實(shí)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(gè)問題是持續(xù)的外力和應(yīng)變可能引發(fā)材料的納米級(jí)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(shì)的分子動(dòng)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?shí)現(xiàn)損傷的自修復(fù)。自修復(fù)的動(dòng)力學(xué)過程表現(xiàn)出一類有效的兩階段動(dòng)力學(xué)機(jī)制：第一階段損傷附近會(huì)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(huì)