GPa高压下单晶金属纳米材料的原位动态表征与塑性变形机理研究

本项目基于原位电子显微学技术，将具有皮米分辨的球差校正透射电子显微镜作为开展原位动态表征实验的研究平台，采用碳纳米管和碳洋葱作为施加GPa高压的纳米挤压模具，利用碳纳米管及碳洋葱在一定温度下受电子辐照后的自收缩效应，对包裹于其中的金属单晶样品施加高达GPa的压力而使金属变形，从而实现在原子尺度范围内对金属单晶纳米材料塑性变形全过程的原位动态表征与实时监测。观察材料塑性变形过程中缺陷的产生及晶格结构的变化情况，揭示单晶金属纳米材料的变形规律，明确晶粒形状、尺寸及变形温度和加压方式等因素对变形过程的影响及相互间的关系，结合计算机模拟，阐明单晶金属纳米材料塑性变形的机制，建立相应的理论模型，为探索普适性的纳米材料变形机理及优化单晶金属纳米材料的力学性能等提供可靠的实验和理论依据。

课题的主要任务为利用球差校正透射电镜，在超高分辨条件下，研究电子辐照、热场下低维材料中缺陷的产生和演变规律，对低维单体材料塑性形变过程进行原位动态表征和研究。.主要体现在如下四个方面：.1. 研究了电子辐照诱导的材料生长、加工机制。特别是：通过熔模铸造法实现了碳纳米管和合金在电镜中的可控、原位生长，并讨论了其生长机制；在实验上实现了富勒烯球在电子辐照诱导下用做柔性连接铰链；使用原位TEM技术，研究了纳米金属及金属线的生长和奇异形变特性及其机制，如超塑性行为等。2. 基于已制备的各种低维纳米材料，利用球差校正的透射电镜技术，以电子辐照损伤为主要研究手段，研究了其缺陷的发生、演变及材料结构的演化规律及机制。如：研究了二硫化钼纳米片在电子辐照作用下其缺陷不断扩大、演化最终形成超窄纳米带及Mo5S4的结构的过程及机制；结合原位加热、透射电镜成分分析等技术，研究了铜—银合金纳米颗粒在高温下产生相分离及缓慢蒸发的过程。3. 以实验观察为基础，结合理论模拟等方法，研究了石墨烯上缺陷（如纳米孔）以及石墨烯各种不同结构形态在热场和电子辐照场作用下的结构演变机制和规律，如石墨烯面内缺陷在热场下的自修复过程和纳米孔孔径变化规律，揭示了缺陷演化机制的本质是体系的表面自由能降低的过程；此外，研究了石墨烯纳米带在外场作用时，如热场和弯曲应力场、掺杂应力场等，对其电学、磁学特性的影响。4. 利用具有皮米分辨的高分辨透射电镜技术，研究了低维纳米材料，特别是石墨烯纳米材料的自组装行为及机制。例如：金属—绝缘层—金属纳米阻变存储器结构在失效过程中，绝缘层内导电细丝的形成、回复及结构演变，观察到导电细丝由金属部分向绝缘层内扩散的动态过程；讨论了染料敏化电池中光阳极掺杂石墨烯骨架后光生电子输运增强的原因，证明了其用于染料敏化电池光阳极可以大幅提高电池效率；研究具有宏观尺寸的三维碳纤维和石墨烯材料的自组装制备方法、结构形成机理和孔径大范围调制的方法和机制等，以及石墨烯材料组装成为石墨烯器件结构（如力电执行器）的应用研究等。共发表论文39篇，申请发明专利24项，其中已取得授权5项。