基于尺度效应的一维金属纳米材料的机械性能研究

One-dimensional (1-D) metallic nanomaterials (such as metallic nanowires with diameters ranging from a few nanometers to hundreds of nanometers) have stimulated great interest in the past decade as important building blocks for future nanoscale electronic devices and nano-electro-mechanical systems (NEMS), however, the ability to achieve the full potentials of these fascinating technologies is ultimately limited by how they will behave at relevant length scales, in particular, their mechanical performance and reliability. Existing experimental data for mechanical properties of metallic nanowires mainly focus on samples with diameters above 100nm, while recently published work on ultrathin gold nanowires provided data for sub-20nm---currently both theoretical prediction and experimental data show that, while the so-called "smaller is stronger" size effect remains valid for single crystal metallic nanowires, their mechanical behavior and deformation mechanisms are distinctly different. Therefore, it is necessary to perform a systematic study for sample dimensions ranging from 20 to 100nm, and find out the transition stage and its corresponding mechanism. In this project, by adopting and further improving our patented Micro-Mechanical Device-based in situ nanomechanical testing platform, we will systematically study the size-dependent mechanical behavior of metallic nanowires and reveal the transition mechanism of plastic deformation for samples with different diameters. The successful implementation of this research will expect to provide valuable insights for design and development of novel high performance 1-D metallic nanomaterials through crystal-structure engineering.

一维金属纳米材料（包括直径从几纳米到几百纳米的金属纳米线）作为未来纳米电子器件及纳米电机系统(NEMS)的基本元件在过去二十年里激起了材料学界极大的研究兴趣，然而充分利用其优异性能则根本上取决于其在相应尺寸下的力学表现，特别是机械性能及可靠性。对于金属纳米线，已有的力学测试大部分集中于直径100 纳米以上，而新近的超细金纳米线工作则提供了直径在20 纳米以下的数据---目前理论计算和实验观测均表明，对于单晶金属纳米线，尽管"尺寸越小，强度越大"的尺度效应仍然成立，但以上两个区间的形变机制是截然不同的。因此有必要在20-100 纳米区间进行系统性的研究，找出这个力学行为转变过渡的机制。本项目将采用和进一步完善先前所设计和发展的微机械原位纳米力学测试平台，对金属纳米线的尺度效应进行更深入的研究，阐明不同尺度下塑性变形的转变机制，为接下来通过调制晶体结构而研发新型高性能一维金属纳米材料奠定基础。

基于设计和制造高性能可靠的微纳电子器件和纳米电机系统的需求，本项目展开了对直径介于数十到上百纳米之间的一维金属及半导体纳米材料的机械性能研究及其相应的尺度效应探索。通过研发适用于微纳尺度的原位扫描/透射电子显微镜下的高精度定量力学测试平台，及对应尺寸下多种微纳米一维材料的制备，操控和组装，对相应尺度一维微纳米材料在准静态加载和动态加载下的所表现出的力学行为进行了系统的表征并分析其与尺度相关的形变机制。.利用本课题组在项目执行期间发展的一系列具有高度适配性的原位微纳米力学测试平台，对几种具有代表性的一维单晶纳米材料进行了全面的定量原位表征：首先对特征尺寸在20-100纳米之间的单晶金属钠米线进行了一系列的定量力学测试，发现其显著的尺寸效应；并通过原位透射电镜下对该直径区间的单晶金、银、镍纳米线的塑性变形机制及其转变进行了一系列的研究。这部分的结果也对具备纳米晶结构的宏观金属（例如镁合金和铜）的结构优化具有指导作用。类似地，我们对单晶的一维半导体纳米结构（硅和氧化锌纳米线等）的尺寸效应也进行了研究，并在世界上首次报道了存在于高质量的单晶硅纳米线中超过10%弹性应变的超弹性现象。这一系列的工作不仅加深了我们对于小尺度材料力学性质的理解，也对一维纳米材料在新一代集成电路、柔性电子器件及纳米生物医学中的应用提供了新的思路和理论基础。.此外，我们发展了一些动态纳米力学测试方法，针对该特征尺寸区间的一维纳米材料进行了各种应变速率下动态加载后的断裂特性以及循环加载下的疲劳性质的研究，并首次报道了针对一维纳米材料的高低周纳米疲劳测试平台及初步结果。考虑到其主要应用场景，还通过原位力电/力热耦合加载，研究了直径在几纳米到数十纳米的金纳米线及新型4H金纳米带在热/电加载下的结构稳定性以及力辅助的自修复现象。这部分工作对于金属钠米线在未来纳米电子器件中的可靠应用具有指导意义。.最后，基于对上述单晶体系纳米线研究，我们还研制一些新型结构的一维金属微纳米材料并探索其力学性质和尺度效应，例如制备具有纳米孪晶结构的镍纳米线并发现其伪弹性现象；高熵合金微纳米柱的屈服强度对柱体直径的弱敏感性；以及金属玻璃微米线在高弹性应变下的爆闪现象等。并且衍生研制出一些具备新型结构的一维纳米混合体系（纳米环，多孔纳米棒，多级纳米线海星结构，纳米复合超级电容等），有望用于能源，环境和生物医学等功能应用。