一维纳米线力学性能的测量及其尺寸效应机制研究

Nano-scale materials have the advantages of small size, high precision, excellent performance, and so on. They have become the basic materials of the next generation of nano-electromechanical systems (NEMS) and nanoenergy. At present, the mechanical properties of nano-scale materials still stay in the stage of performance characterization. Because of the high surface energy, strong atom-bonding force and quantum effect, the mechanical properties of nanomaterials are significantly different from their bulk materials. Therefore, the mechanical properties measured in bulk volume will no longer be applicable for the nanodevices. This project aims to apply the controllable growth for one-dimensional vertical and horizontal arrays of ZnO nanowires with different sizes; to systematically measure the shear modulus change with diameter of semiconducting nanowire in nanoscale to gain fundamental understanding of the Poisson's ratio in nanoscale. The relationship between small size and mechanical properties can reveal the mechanism of high surface energy, strong atomic-bonding force and quantum effect, which will enhance the understanding of mechanical properties of nanomaterials. The research will further build the guide for the application of nanowires in NEMS, nanoenergy.

纳米尺度下的材料具有尺寸小、精度高、性能卓越等优点，已成为下一代纳米机电系统和纳米能源的重要元部件。目前，纳米尺度的材料力学性能仍旧处于性能表征和研究的阶段。由于其高表面能、强原子键合力和量子效应等综合作用的影响，纳米材料的力学性质相比于其块状材料有显著差异，因此在块状体积下测量出的力学性能指标将不再适用于微纳器件的纳米结构材料。本项目申请的研究内容旨在通过可控生长不同尺寸的一维竖直阵列氧化锌纳米线和横向阵列氧化锌纳米线，系统全面的测量纳米尺度下该材料的力学性质，研究剪切模量、弹性模量随纳米级别结构变化的尺寸效应，并进一步了解在纳米尺度下泊松比的尺寸效应。深入研究纳米材料的小尺寸与力学性能的内在关系，揭示其在高表面能、强原子键合力和量子效应等方面的机理，增强对纳米尺度下材料力学性能的了解，从而为一维纳米材料在纳机电、纳米能源等相关领域提供重要的基础研究依据。

纳米尺度下的机械材料由于其尺寸小、精度高、性能优异等优点，已成为微米机电系统的潜在替代品，目前的纳米尺度的机械性质处于性能表征和研究的阶段。由于高表面能、强原子键合力和表面量子效应等综合作用的影响，纳米材料机械性质相比于其块状材料的机械性质有着十分大的差异。因此在块状体积下测量出的机械参数将不再适用于纳米结构下的纳米器件。本项目的内容成功实现了可控生长不同尺寸的阵列氧化锌纳米线和横向氧化锌纳米线，从而系统全面的测量了一维氧化锌纳米材料的剪切模量，弹性模量随着其尺寸减小而产生的尺寸效应。通过这两个基本模量的尺寸效应的研究，能够进一步学习和了解了在纳米尺度下另一重要参量泊松比的尺寸效应。通过深入研究纳米材料的小尺寸与机械性质的内在关系，揭示其在高表面能、强原子键合力和表面量子效应等方面的机理，增强了对纳米尺度下材料性质的了解，从而为一维纳米材料在纳米机电、纳米能源等领域相关的研究方向提供重要的基础研究。