【摘 要】
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表面能、表面应力及错配应变对纳米异质材料和结构的形貌演化和力学性能具有很大的影响。本文以典型纳米结构材料(零维的量子点、一维的纳米线、二维的石墨烯)为例,通过理论
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表面能、表面应力及错配应变对纳米异质材料和结构的形貌演化和力学性能具有很大的影响。本文以典型纳米结构材料(零维的量子点、一维的纳米线、二维的石墨烯)为例,通过理论建模和实验对其形貌演化和力学性能进行了研究。具体完成的工作如下: (1)利用连续介质力学方法建立了粗糙表面的表面应力理论,得到了粗糙表面上的表面应力与等效光滑表面的等效表面应力的联系。分析了由于各向异性表面形貌和各向异性材料弹性特性引起的等效表面应力变化的机制。利用粗糙表面的表面应力理论对微悬臂梁的Stoney公式提出了重要修正。 (2)给出利用可变形且灵敏的微悬臂梁基底原位监测和调控量子点生长的理论框架。悬臂梁既是量子点生长的基底,也是原位监测和调控量子点生长的传感器。根据系统的理论框架,分析了表面能和错配应变作用下各个能量项对总能量的贡献。给出了系统由膜状态到岛阵列状态的临界转变条件。分析发现,在微悬臂梁基底厚度适当的情况下,可以通过调整微悬臂梁基底厚度原位监测和调控量子点的生长。 (3)建立了错配应变、表,界面扩散和体扩散共同作用下芯‐壳异质圆柱结构形貌演化的理论模型,得到了芯‐壳异质圆柱结构表面和界面形貌演化的控制方程。给出了表面和界面在轴向和周向发生失稳的临界条件。并利用轴向失稳的理论模型预测了芯-壳结构纳米线的形貌演化过程和球状化现象。 (4)利用扫描隧道显微镜和原子力显微镜等实验手段,分析了生长和存放过程中引起石墨烯粗糙形貌的因素。建立理论模型分析了利用转移条件调节石墨烯表面形貌的机制。通过将石墨烯转移到不同基底上的方式,得到了石墨烯表面褶皱与基底粗糙度的联系。随后,通过将石墨烯转移到纳米线阵列上,得到了无表面褶皱的石墨烯。并且,分析了石墨烯的表面形貌与转移基底微结构尺度的关系。
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