基于同步辐射X射线微聚焦方法对纳米薄膜自组装应力变化的研究

Mechanically driven self-assembly of three-dimensional (3D) micro/nanostructures for advanced functional materials and devices suggests potential application as well as fundamental researches, which enables new opportunities for unusual materials innovation and creative devices. Here we will focus on mechanical engineering and self-assembly of nanomembranes for 3D micro/nanostructures. The stress distributions and transformation for self-assembly will be explored during the 3D micro/nanostructures processes. The nanomembranes’ strain status can influence physical properties and will be investigated by microscale X-ray diffraction of synchrotron radiation. Besides the investigation concerning on the mechanism of mechanical engineering, novel micro/nano-structures (such as wrinkled nanomembranes and rolled-up microtubes) can thus be achieved by means of composition and strain optimizations. The results of this research can help the applications in designing of novel micro/nano-systems, and may suggests one way for the realization of mechanically driven assembly of 3D meso-scale structures from 2D nanomembranes with strategically designed geometries and microscale devices with unique performance.

应力驱动下的纳米薄膜自组装过程推动着复杂微纳米三维结构器件研究深入开展，具有重要的研究意义和应用价值。本项目的研究对象是应力驱动下的纳米薄膜自组装过程的应力变化过程。研究工作中我们首先研究薄膜制备过程中应力的分布及应力驱动下纳米薄膜的自组装行为，结合同步辐射微区X射线方法，详细研究自组装前后纳米薄膜应力分布变化情况，理清纳米薄膜自组装过程中应力的变化与应力分布、大小及纳米薄膜图形间的相互关系。阐明应力的变化对纳米薄膜本征及宏观物理特性的影响。并以此为基础，从材料的选择和结构优化等方面入手，基于应力驱动下纳米薄膜自组装开展有针对性的特殊三维微纳米结构及特殊物理性质的微纳器件设计制备。本项目的研究成果将从本质上认识纳米薄膜自组装与物理性质变化过程中的应力的关键作用，本项目将为新型三维微纳米结构器件开发奠定坚实的理论和实验基础。

利用应力驱动的纳米薄膜自组装制备复杂微纳米三维结构及器件具有重要的研究意义和应用价值。本项目研究了三维自组装结构中应力驱动下的纳米薄膜自组装过程的应力及变化情况。我们首先利用同步辐射X射线衍射揭示了薄膜制备条件对所得薄膜中的残余应变及其分布产生影响的机制。在深入理解应变调控机制的基础上，利用应力驱动将多层复合薄膜材料制成复杂三维卷曲结构。在实验上，可以通过调控多层复合薄膜材料的参数实现对最终微纳米管状结构的有效调控，并实现多种材料、多种结构的为纳米结构。在理论上，我们利用有限元计算方法分析了应力分布、几何形状、边界条件之间的关系。进一步，我们研究了纳米薄膜中应力受外界环境变化的影响情况，由此实现的可控卷曲微纳结构在光电、氢气传感领域具有重要的应用价值。本项目的研究成果揭示了纳米薄膜自组装过程中的应力变化情况及其对器件性质的影响为新型三维微纳米结构器件开发奠定坚实的基础。项目执行过程中已发表SCI收录研究论文50篇，申请中国发明专利2 项（其中1项已授权）。项目开展过程中协助培养博士后2名、博士研究生4名、硕士研究生3名。