低维面心立方金属微观力学形变机制的原位研究

The designing and building of functional nano-devices based on low-dimensional metallic materials desperately require the better understanding of the mechanical behaviors in micro- and nano-meter sized metals. Nonetheless, the knowledge regarding the deformation mechanisms in face-centered-cubic (FCC) metallic nano-structures is far from developed. In this context, using the advanced in-situ transmission electron microscopy techniques, the overall aim of this project is to promote a deep understanding of the currently mysterious deformation behaviors of two typical FCC metallic nanowires (Ni and Pb) as a function of specimen size, micro-structures, and temperature, etc. Through the detailed analysis and characterization of the microstructural evolution, such as defect nucleation, movement and interaction processes, we are trying to establish possible linkage between the microscopic deformation mechanisms and macroscopic mechanical properties, assisted by the first-principles calculation or (and) molecular dynamics simulation. The research outcomes of this project will contribute significantly to the knowledge regarding mechanical behaviors in FCC metallic nano-structures, and thus provide guidance for the future design and applications of low-dimensional metallic materials.

基于低维金属材料的功能器件设计与组装，迫切需要我们了解微纳尺度下金属材料的力学行为。然而，目前对面心立方金属纳米结构力学形变机制的认知尚处于起步阶段。本项目拟通过原位透射电子显微学技术研究尺寸、结构、应变速率、温度对两种特殊的面心立方金属（镍、铅）纳米线的微观力学形变机制的影响。利用第一性原理计算或者（以及）分子动力学模拟作为辅助，细致分析与表征低维材料在应力场作用下微结构的实时变化，例如缺陷的形核、运动及相互作用过程，试图建立微观形变机制与宏观力学性能之间的联系。课题研究结果不仅将丰富与完善对面心立方金属纳米结构力学行为的认知，而且对未来低维金属材料的设计与使用具有重要的借鉴意义。

基于低维金属材料的功能器件设计与组装，迫切需要我们了解微纳尺度下金属材料的力学行为。本项目拟结合原位透射电子显微技术及理论计算（分子动力学模拟等）研究面心立方金属原子尺度的力学形变机制，细致分析与表征材料微结构的实时变化，例如缺陷的形核、运动及相互作用过程，试图建立微观形变机制与宏观力学性能之间的联系。项目的主要进展如下：1）揭示了原子尺度下，面心立方金属镍纳米线孪晶形核、退孪晶与孪晶界迁移过程；2）研究了应力加载方向、孪晶界间距对镍纳米线延展性以及微观形变机理的影响，初步建立了微观形变机理与纳米线延展性之间的可能关联；3）发现面心立方金属铂包覆可有效提高氧化铜纳米线的延展性。同时，基于该项目的资助，研究内容又有所拓展，主要包括： 1）金属钼从体心立方结构到面心立方结构的原子尺度可逆相变过程，分析了应力加载方向对其微观形变机理的影响，揭示了原子尺度裂纹的扩展机理；2）体心立方金属铁的可逆孪晶界迁移过程；3）低维氧化锌在拉伸应力作用下从六角密堆结构到h-MgO结构的可逆相变。上述研究成果对未来低维金属材料的设计与使用具有重要的借鉴意义。本项目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。