基于原位电子显微技术研究纳米金属、合金、异质结的表/界面结构、物性的尺寸效应

The unique properties of nano-materials are believed to originate from the size effect and surface effect at the nanoscale. However, the role of size effect in influencing the structures and properties of nanomaterials is unclear. For example, how the size effect affects the surface/interface energy of nano-metals/nano-alloys, the structure stability of nano-alloys and nano-heterojunctions, and the electrical-transport property of hetero-structures is still unkown. To clarify these questions, this project plans to use the advanced in-situ microscopic techniques to perform a systematic investigation. The main research scope includes: ①determining the size-dependent surface energy and surface stability of nano-metals, ②determining the size-dependent interfacial property, structure phase and phase diagram of nano-alloys, ③constructing nanoscale hetero-structures and revealing their size-dependent structure stability and electrical-transport property. The main purpose of this project is to unveil the surface/interface structure and property of nano-metals, nano-alloys and nano-heterojunctions, the electrical property of metal-semiconductor hetero-structures, as well as their evolutions relevant to size effect. The findings of this project will provide fundamental knowledge for the design and fabrication of next-generation MEMS/NEMS related functional nano-devices.

尺寸效应和表面效应是纳米材料新异物性的根源。然而，有关尺寸效应对纳米材料结构、物性的影响规律尚不清楚，例如纳米金属、金属合金的表/界面能、金属-低维功能材料异质结的结构稳定性和电学输运特性等等。针对这些问题，本项目提出基于原位电子显微技术的方法开展系统化研究，揭示尺寸效应对纳米金属、合金、异质材料表/界面结构、物性的影响规律和机制。主要研究内容包括：①测定纳米金属表面能、表面稳定性随尺寸的变化规律；②测定纳米金属合金的表/界面特性、结构相的尺寸效应，建立纳米合金相图；③构建纳米金属-低维功能材料异质结构，测定异质界面的结构特性、电学输运特性随尺寸的关联。本项目旨在深入认知纳米尺度下尺寸效应对材料表/界面结构和功能特性的影响规律及决定机制，为新一代MEMS/NEMS等功能器件的设计、加工、制造奠定基础。

尺寸效应和表面效应是纳米材料新异物性的根源。然而，有关尺寸效应对纳米材料结构、物性的影响规律尚不清楚，例如，针对纳米金属、金属合金的表/界面能与形貌、稳定性的关联，纳米合金中的相演化机制，金属-低维功能材料异质结构的稳定性和电学特性等问题当前尚不完全清楚。.针对上述问题，项目设计了基于原位电子显微技术的研究方法和技术路线，对多种纳米金属、金属合金的表/界面稳定性、结构相演化的过程和机制展开了系统研究。主要研究内容和成果包括：①基于MEMS工艺设计研制了具有自主知识产权、适配于透射电子显微镜使用的悬空微插指电极芯片和双温区密封腔芯片，②系统化制备和调控多种表面超清洁金属、金属合金纳米颗粒（Au、Ag、Cu、Pb、Mg、Bi、Zn、Ni、Cd、AuAg、PbBi、CuAg、MgZn、AlCu等），③针对Ag、CuAg、AuAg、PbBi、MgZn等纳米颗粒的表面能、表/界面稳定性、尺寸效应等问题展开了实验研究并阐述其演化规律和机制，④发展了一套原位蒸发沉积技术，实现在TEM中原位制备复杂相金属纳米颗粒的方法，⑤针对PbBi、CuAg、MgZn等二元合金体系，研究并揭示了纳米合金中的相演化动力学过程和机制，⑥针对异质纳米结构的热稳定性、浸润特性、电学特性开展了实验测定。项目研究产出成果包含SCI论文11篇（一区6篇，二区3篇）、国家发明专利5项，项目培养博士研究生4名，培养硕士研究生6名。.项目研究产生的专利成果有产业化价值，后续可转化为具有自主知识产权的透射电镜样品杆等功能附件，项目研究的理论成果揭示了低维材料物性与结构的本征关联，可为下一代电子器件的设计、加工、制造奠定理论基础。