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，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了人們對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界面能進行完整的計算，而且還能夠?qū)ζ渑c表面與界面相關(guān)的物性進行理論預(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。該表面能一部分來自于表面原子的結(jié)合能，另一部分來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Au，Ag以及PbS納米粒子的表面能進行了完整的計算，與相關(guān)實驗較好吻合。而且解決了目前文獻報道的理論計算和實驗測量的矛盾。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)的擴散動力學(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。界面能由來源于界面原子鍵能的化學(xué)項以及來源于界面晶格失配的彈性應(yīng)變能的結(jié)構(gòu)項組成?；谒⒌某叨纫蕾嚨慕缑婺苣Ｐ?，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散動力學(xué)模型。界面合金化的熱力學(xué)驅(qū)動力主要來源于界面自由能和生成熱的影響。而且，與相關(guān)的實驗相結(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體系的界面原子擴散行為，指出這是導(dǎo)致界面合金化的主要動力學(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)的實驗所證實。實際上，由于尺度的減小，表面和界面的增