《基於尺度效應的一維金屬納米材料的機械性能研究》是依託香港城市大學深圳研究院，由陸洋擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：基於尺度效應的一維金屬納米材料的機械性能研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：陸洋
- 依託單位：香港城市大學深圳研究院
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
一維金屬納米材料（包括直徑從幾納米到幾百納米的金屬納米線）作為未來納米電子器件及納米電機系統(NEMS)的基本元件在過去二十年里激起了材料學界極大的研究興趣，然而充分利用其優異性能則根本上取決於其在相應尺寸下的力學表現，特別是機械性能及可靠性。對於金屬納米線，已有的力學測試大部分集中於直徑100 納米以上，而新近的超細金納米線工作則提供了直徑在20 納米以下的數據---目前理論計算和實驗觀測均表明，對於單晶金屬納米線，儘管尺寸越小，強度越大的尺度效應仍然成立，但以上兩個區間的形變機制是截然不同的。因此有必要在20-100 納米區間進行系統性的研究，找出這個力學行為轉變過渡的機制。本項目將採用和進一步完善先前所設計和發展的微機械原位納米力學測試平台，對金屬納米線的尺度效應進行更深入的研究，闡明不同尺度下塑性變形的轉變機制，為接下來通過調製晶體結構而研發新型高性能一維金屬納米材料奠定基礎。
結題摘要
基於設計和製造高性能可靠的微納電子器件和納米電機系統的需求，本項目展開了對直徑介於數十到上百納米之間的一維金屬及半導體納米材料的機械性能研究及其相應的尺度效應探索。通過研發適用於微納尺度的原位掃描/透射電子顯微鏡下的高精度定量力學測試平台，及對應尺寸下多種微納米一維材料的製備，操控和組裝，對相應尺度一維微納米材料在準靜態載入和動態載入下的所表現出的力學行為進行了系統的表征並分析其與尺度相關的形變機制。 利用本課題組在項目執行期間發展的一系列具有高度適配性的原位微納米力學測試平台，對幾種具有代表性的一維單晶納米材料進行了全面的定量原位表征：首先對特徵尺寸在20-100納米之間的單晶金屬鈉米線進行了一系列的定量力學測試，發現其顯著的尺寸效應；並通過原位透射電鏡下對該直徑區間的單晶金、銀、鎳納米線的塑性變形機制及其轉變進行了一系列的研究。這部分的結果也對具備納米晶結構的巨觀金屬（例如鎂合金和銅）的結構最佳化具有指導作用。類似地，我們對單晶的一維半導體納米結構（矽和氧化鋅納米線等）的尺寸效應也進行了研究，並在世界上首次報導了存在於高質量的單晶矽納米線中超過10%彈性應變的超彈性現象。這一系列的工作不僅加深了我們對於小尺度材料力學性質的理解，也對一維納米材料在新一代積體電路、柔性電子器件及納米生物醫學中的套用提供了新的思路和理論基礎。 此外，我們發展了一些動態納米力學測試方法，針對該特徵尺寸區間的一維納米材料進行了各種應變速率下動態載入後的斷裂特性以及循環載入下的疲勞性質的研究，並首次報導了針對一維納米材料的高低周納米疲勞測試平台及初步結果。考慮到其主要套用場景，還通過原位力電/力熱耦合載入，研究了直徑在幾納米到數十納米的金納米線及新型4H金納米帶在熱/電載入下的結構穩定性以及力輔助的自修復現象。這部分工作對於金屬鈉米線在未來納米電子器件中的可靠套用具有指導意義。 最後，基於對上述單晶體系納米線研究，我們還研製一些新型結構的一維金屬微納米材料並探索其力學性質和尺度效應，例如製備具有納米孿晶結構的鎳納米線並發現其偽彈性現象；高熵合金微納米柱的屈服強度對柱體直徑的弱敏感性；以及金屬玻璃微米線在高彈性應變下的爆閃現象等。並且衍生研製出一些具備新型結構的一維納米混合體系（納米環，多孔納米棒，多級納米線海星結構，納米複合超級電容等），有望用於能源，環境和生物醫學等功能套用。
