钨氧化物纳米材料力学形变机制的原位电子显微学研究

Tungsten oxides exhibit a rich physical and chemical properties owing to various electronic structures and variable valence of metal ions, which have made them promising materials that could be widely applied in micro and nano devices. The microscopic deformation mechanisms in nano-structures, which serve as a basis for constructing nanodevices, is one of the frontiers of current research. Nonetheless, due to the limitation of the experimental techniques and complex structures, both experimental and theoretical studies regarding the deformation mechanisms of tungsten oxides are still lacking. In this project, employing the in-situ high resolution transmission electron microscopy, the atomic-scale dynamic deformation process of single tungsten oxides nano-structures will be characterized. In combination with the first-principles calculation or molecular dynamics simulation, this project aims to reveal the microscopic deformation mechanisms of tungsten oxide nanomaterials as a function of of size, composition, microstructure, and strain manners. Our results may provide experimental references for investigating the macroscopic mechanical behaviors of metal oxides nanomaterials.

钨氧化物因其多样的电子结构和可变的金属离子价态，使其具有丰富的物理化学性质，在微纳器件领域具有很好的应用前景。而纳米材料微观力学形变机制作为合理的构建纳米器件的基础，是目前研究的前沿领域之一。但是由于实验技术和条件以及复杂结构的限制，目前对于钨氧化物的形变机制在实验和理论上的研究都比较匮乏。本项目提出运用原位高分辨透射电子显微技术，对钨氧化物的力学响应在原子尺度进行动态表征，并结合第一性原理计算或分子动力学模拟，揭示钨氧化物纳米材料的尺寸、组分、微结构以及所受应变方式不同时的微观形变机制。本项目研究结果为研究金属氧化物纳米结构的力学行为提供实验参考。

功能氧化物比如钨氧化物因其多样的电子结构和可变的金属离子价态，使其具有丰富的物理化学性质，在微纳器件领域具有很好的应用前景。合理设计与构筑纳米器件需要建立在对纳米结构微观结构及其力学形变机制澄清的基础上。本项目利用透射电子显微技术，包括选区电子衍射、高分辨像、X射线能量色散谱、电子能量损失谱等，对单一钨氧化物纳米结构进行微结构表征及成分分析；并结合原位电子显微技术及理论计算（分子动力学模拟等）研究其原子尺度的力学形变机制。项目的主要进展如下：（1）针对单一钨氧化物纳米结构（KWO、NaWO等）进行结构及成分分析，通过电子衍射与电子能量损失谱相结合确定钨氧化物中的复杂畴结构。研究结果为理解钨氧化物的微观结构及结构性能调控提供基础。利用上述方法研究了其他功能氧化物（包括ZnO、CuO、MgAlO、SnO、FeO等）的结构和可控制备；（2）在透射电镜中通对施加应力，首次实时观察到单一KWO纳米线及纳米片的形变机制，并将该方法推广应用于研究ZnO、CuO等纳米线的力学形变机理。上述研究成果将为相关纳米器件的构筑提供借鉴。本项目顺利完成了申请书所提出的主要研究内容，相关后续研究工作在进一步开展之中。