納米材料與納米結(jié)構(gòu)的表面與界面以及相關(guān)尺度效應(yīng).pdf

1、本論文研究了納米材料與納米結(jié)構(gòu)的表面與界面問(wèn)題。基于納米尺度下的熱力學(xué)理論與連續(xù)介質(zhì)力學(xué)理論，建立了普適性的零維納米晶及納米空洞、一維納米線及準(zhǔn)一維納米管、二維納米多層薄膜等納米體系的表面與界面物理模型，給出了其表面與界面能的解析表達(dá)，并由此而推演出納米材料與納米結(jié)構(gòu)中與表面與界面相關(guān)的尺度效應(yīng)。本研究所發(fā)展的關(guān)于納米材料與納米結(jié)構(gòu)的表面與界面理論不僅增進(jìn)了人們對(duì)于納米尺度下的材料表面與界面的科學(xué)理解，而且預(yù)言了由于納米材料與納米結(jié)構(gòu)表

2、面和界面的尺度依賴性所誘導(dǎo)的一系列異常物性，對(duì)于發(fā)展新型納米材料與納米結(jié)構(gòu)是重要的。 本論文主要有如下三點(diǎn)創(chuàng)新： 1.發(fā)展了納米材料體系中表面與界面的熱力學(xué)理論，它不僅能夠?qū)ζ浔砻媾c界面能進(jìn)行完整的計(jì)算，而且還能夠?qū)ζ渑c表面與界面相關(guān)的物性進(jìn)行理論預(yù)言。根據(jù)尺度依賴的表面能模型，研究了納米晶的結(jié)構(gòu)硬化，納米線的尺度依賴的熱穩(wěn)定性，納米管的軸向楊氏模量以及納米空洞的收縮導(dǎo)致的異常力學(xué)性質(zhì)等。 基于納米體系材料的表面

3、相與體相的不同，提出了納米晶的尺度依賴的表面能模型。該表面能一部分來(lái)自于表面原子的結(jié)合能，另一部分來(lái)自于表面原子間彈性相互作用能，考慮了表面弛豫和重構(gòu)影響。對(duì)Au，Ag以及PbS納米粒子的表面能進(jìn)行了完整的計(jì)算，與相關(guān)實(shí)驗(yàn)較好吻合。而且解決了目前文獻(xiàn)報(bào)道的理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測(cè)量的矛盾。納米體系材料的相關(guān)力學(xué)和熱學(xué)性質(zhì)都與尺度依賴的表面能相關(guān)。系統(tǒng)研究了納米粒子的結(jié)構(gòu)硬化及表面硬化，一維納米線的尺度依賴的熔化，準(zhǔn)一維納米管的異常的楊氏模量以及

4、與納米晶具有反對(duì)稱關(guān)系的納米空洞的內(nèi)表面能及外部激活下由內(nèi)表面能誘導(dǎo)的收縮現(xiàn)象，提出了納米空洞的收縮動(dòng)力學(xué)模型，解釋了納米空洞的收縮非線性現(xiàn)象。 2.提出了納米多層膜的界面能模型，建立了二元互不相溶金屬多層膜系統(tǒng)中界面合金化的熱力學(xué)判據(jù)和納米尺度相關(guān)的擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)模型，預(yù)言了Cu-W體系的界面合金化相圖和Cu-Ta、Cu-W和Au-Ag體系的界面原子擴(kuò)散行為。 將納米尺度下的熱力學(xué)理論與連續(xù)介質(zhì)力學(xué)理論相結(jié)合，考慮具有普適

5、性的多層膜半共格界面，建立了納米尺度下界面層的物理模型。界面能由來(lái)源于界面原子鍵能的化學(xué)項(xiàng)以及來(lái)源于界面晶格失配的彈性應(yīng)變能的結(jié)構(gòu)項(xiàng)組成。基于所建立的尺度依賴的界面能模型，我們提出了基于Gibbs自由能的納米尺度下二元互不相溶金屬多層膜界面合金化的熱力學(xué)判據(jù)以及建立了尺度依賴的擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)模型。界面合金化的熱力學(xué)驅(qū)動(dòng)力主要來(lái)源于界面自由能和生成熱的影響。而且，與相關(guān)的實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，預(yù)言了金屬Cu-w體系的界面合金化相圖和金屬Cu-Ta、Cu

6、-w和Au-Ag體系的界面原子擴(kuò)散行為，指出這是導(dǎo)致界面合金化的主要?jiǎng)恿W(xué)途徑，揭示了相溶和不相溶金屬多層膜系統(tǒng)界面異常擴(kuò)散的物理起源。 3.發(fā)展了納米尺度下二元金屬系統(tǒng)中合金固溶度的熱力學(xué)理論，揭示了合金納米顆粒異常固溶度和核一殼納米結(jié)構(gòu)自發(fā)界面合金化的熱力學(xué)機(jī)制。二元金屬體系的合金固溶度隨尺度的減小而增大，核-殼結(jié)構(gòu)的二元相溶金屬納米結(jié)構(gòu)的界面出現(xiàn)自發(fā)的合金化，這已經(jīng)被相關(guān)的實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。實(shí)際上，由于尺度的減小，表面和界面的增