纳米线在机械冲击下失效机理的探索研究

金属纳米线在微纳系统中占有重要地位。本项目针对纳米线如何形成和断裂失效，以超大规模分子动力学模拟为基础，不同过渡金属（面心立方）纳米线为体系，系统地探索研究纳米线在不同晶向、缺陷分布和不同温度、尺寸以及机械冲击速度下失效的机理。我们对此做的前期工作表明，单次样本纳米线的形成和失效具有随机性，由此，我们采用统计的处理方法，提出了"最可几"概念。其次，采用双晶界面模型，简化纳米线在微纳加工中的界面问题，考察其在循环机械冲击下的稳定性。另外，将"键序-键长-键强"理论应用到分子动力学模拟研究纳米线形成和失效的过程中，并使其程序化，界面显示化，从而来研究体系的表面、界面以及缺陷原子对纳米线断裂失效的影响，逐步揭示出纳米尺度材料失效的机理和如何避免失效的方法，为进一步开展微纳加工技术学的研究打下基础。

金属纳米线在微纳系统中占有重要地位。本项目分别从纳米线拉伸断裂机理和金属微观结构的分析方法两方面开展系列研究。.在纳米线断裂机理研究方面，我们发现一个和少数几个样本难以反应材料失效的本质，而大量样本的统计分析才能有效地给出纳米材料的某个物性。具体而言，我们利用自行开发的超大规模分子动力学模拟程序，以不同过渡金属（面心立方）纳米线为体系，系统地研究了纳米线在不同晶向、尺寸、拉伸速度、体系温度和缺陷等条件下的失效机理。研究结果表明，单次样本纳米线的断裂位置具有随机性，而大量样本的断裂位置展示了统计分布特征。基于此，我们提出了“最可几”和“纳米数量效应”的概念。研究体系还进一步拓展到双晶、孪晶和多晶体系。通过合理设计界面模型，模拟纳米线在微纳加工中的界面问题，考察其在循环机械冲击下的稳定性，提出纳米线结构加强的方案，为进一步开展微纳加工技术学和纳米材料在器件中的应用研究打下基础。.在金属晶体结构分析方法方面，将“中心对称参数法”等晶序结构分析法应用到分子动力学模拟研究纳米线形成和失效的过程中，并使其程序化，图形可视化，从而来研究体系的表面、界面以及缺陷原子对纳米线断裂失效的影响，逐步揭示出纳米尺度材料失效的机理和避免失效的方法。基于上述研究，进一步发展了“表面原子分析法”，研究了表面原子在拉伸过程表现出的特殊性质。区别体相原子和表面原子能有效地反映纳米线的机械形变中尚存的一系列问题。鉴于纳米线在微纳系统中应用的实际问题，本项目的界面模型既考虑到了实际界面的特性，又保证了简化模型在模拟中的可行性，为纳米尺度的器件加工技术奠定了基础。.项目实施过程中共发表论文24篇（其中IF大于3.0的有8篇），申请专利2项，获得专利2项，获得软件著作权1项，组织召开“当前和未来的分子电子学”国际学术会议一次，参与主办“2013年海峡两岸（上海）电子电镀及表面处理学术交流会”一次。培养研究生14人。其中获得博士学位3人，硕士学位4人，博士后出站1人。