纳米金属在电负载下的结构演化和力学行为

The properties of metals in nanoscale are facing great challenges in the design of MEMS/NEMS devices as they crucially affect the performance, reliability and working life of the devices. To solve this issue, investigation of mechanical behaviors of nanometals as well as establishing an effective method to modulate their structures are of key importance. In this proposal, through the aberration corrected HRTEM and in situ STM-TEM/AFM-TEM platforms, we plan to investigate the correlations between structure/composition evolution and mechanical properties of the nanometals at atomic scale. And, the structural modulation mechanism of electric loadings on metallic nanoalloys is also to be studied. The research contents mainly comprise (1) plastic behaviors and mechanisms of nanometals under diverse electric loadings, (2) the modulation mechanism of electric loadings on the structure and composition evolution of nanoalloys, (3) molecular dynamic simulation of plastic behavior of nanometals under electric loadings as well as electricity-induced structure/composition evolution of nanoalloys. Our goal is to realize the mechanical behaviors of nanometals under electric loadings and to establish an effective approach to modulate the structures and properties of nanometals and nanoalloys.

纳米尺度下金属材料的性能问题是微/纳机电系统（MEMS/NEMS）设计中所面临的重要问题，关系着器件的功能、可靠性以及使用寿命。研究金属材料在微纳尺度下的力学行为规律、探索可调制纳米金属的结构和性能的新型方法并分析其调制机理是解决上述材料问题的关键。本项目基于球差矫正的超高分辨透射电子显微技术（Titan 80-300， 分辨率80pm）结合原位力电操控平台（STM-TEM, AFM-TEM）从原子尺度研究纳米金属以及合金的结构、成分演变与力学行为之间的关联，探索多种电加载（直流、脉冲等）对纳米金属结构的影响和调制作用。具体研究内容包括：①电加载条件下单质纳米金属的塑性行为与机制；②电加载对纳米合金结构、成分的调制作用与机理；③分子动力学模拟电加载对纳米金属的塑性过程以及对纳米合金结构、成分演化的影响和机理。本项目旨在认知电加载对纳米金属结构、性能的影响并最终实现结构和性能的有效调控。

项目基于球差矫正透射电子显微技术并结合原位力、电测试平台，系统化研究了多种纳米金属单质（Ag、Cu、Au、Co、W、Fe等）、金属合金（NiAg、CuAg、AuPd、AlCu、AuAg等）以及氧化物（Al2O3）的塑性行为、结构演化和热学稳定性，并通过对纳米金属进行多样化电负载（直流、脉冲），研究了电负载下纳米金属的力学行为和结构演变，探索了电致力学性能调控的新方法和新技术。主要研究成果如下：（1）认知了纳米尺度单质金属（Ag、Au、Co等）的奇异力学行为。研究发现，当纳米金属Ag的尺寸小于10nm时，其室温力学行为呈现类似液态的赝弹性，表面原子的快速扩散和重构使得纳米金属Ag既完好保持晶体结构又可以像液滴一样快速改变其几何外形。该发现是对纳米金属塑性理论的一个重要补充。而对于纳米金属Au、Co、W等其他金属，在同等尺度下，其力学行为依然呈现出传统塑性特征，位错运动仍可以被观察到，表面扩散仅产生有限作用。结合分子动力学模拟，项目进一步分析了原子（或团簇）扩散率、结合能等物理参数对纳米金属塑性行为的决定性作用。（2）研究了电负载对纳米金属、金属合金力学行为的调控作用。研究结果发现，对于纳米金属，施加一定大小的电负载可以实现对其力学行为进行有效调控。例如，对于20nm的Au颗粒，电负载在30-60μA时，其塑性由位错主导转变为表面原子扩散主导，当接近80μA时开始呈现超塑性行为，随着电流增大，超塑性愈发显著，当电负载大于150μA时呈现液态特性。对于尺寸约10nm的Co金属，相似的现象同样被证实：当电负载约60μA时，Co金属出现显著软化，表面原子扩散开始活跃，当电负载大于90μA时，Co金属呈现类液态特性。这些成果对设计柔性纳米器件、柔性电极等方面具有指导意义。（3）研究了纳米金属、金属合金的热稳定性和结构演化。通过施加电负载或者原位加热，认知了单质纳米金属的热稳定性规律，探索了CuAg、NiAg、AlCu、AuPd等合金的相分离和结构演化过程和机制。（4）研究了电脉冲负载下纳米尺度异质金属（Cu-Ag）连接过程中界面的成分、结构、力学行为的演化机制，以及TWIP 钢在电脉冲负载下的结构演化过程和机制。综合以上研究，项目已发表SCI论文5篇，包括Nature Materials、Nanoscale等，另在投3篇；已申请专利2项，另提交申请2项；培养研究生和本科生7人。