原子尺度下超细银纳米线变形机制的原位透射电镜研究

发布时间：2020-05-15 11:05

【摘要】：纳米材料由于其小的特征尺寸和高的比表面积,从而具有异于宏观块体材料的物理与化学性能,这使得研究纳米材料的力学行为是纳米材料科学的重要问题。银纳米线由于其优异的电导率、热导率、力学性能以及催化活性,使得其在集成电路、太阳能电池板、柔性电子器件等电子器件上有广泛的应用。2019年,折叠屏手机正式发布,其中银纳米线复合柔性基底已实际应用到柔性触摸屏,兼备灵敏准确触控与高抗弯折力学性能表现。可见电子器件在实际应用中受力、温度、震动等外场作用下,作为器件组元的纳米材料必须能在应力环境下正常工作。摩尔定律揭示了信息技术进步的速度,点明了电子器件的高度集成化、小型化的发展趋势,这对电子器件中的纳米元件尺寸提出了挑战。同时器件中材料的特征尺寸将会更小,甚至只有几个纳米,对小尺寸的纳米材料的塑性变形行为和机制的研究更是迫在眉睫。具有高空间和信息分辨率透射电镜能在原子尺度下对材料微观原子结构,元素分析进行表征。但由于样品空间狭小,透射电镜中观察外力作用下纳米材料的结构演变并进行原位原子尺度研究是极具挑战性的工作。本论文利用本研究所独有的原位纳米力学测试装置,在高分辨透射电子显微镜(HRTEM)中对超细银纳米线的塑性变形行为进行了原位原子尺度观测。系统研究了超细银纳米线材料变形中原子尺度结构演变(全位错、不全位错、孪晶、表面原子扩散、刚性滑移和相变),并对其变形机制进行研究。具体研究内容如下:直径小于10 nm超细银纳米线的塑性变形同时受不全位错滑移和表面原子扩散控制。通过不全位错滑移形成的层错和孪晶实现了纳米线的均匀延伸。表面原子的扩散减小了纳米线的直径,但对纳米线的伸长没有影响。我们发现小尺寸纳米线塑性变形中,不全位错在表面随机形核并发射进而形成孪晶。通过透射电镜原位观察到L-C位错锁是由不全位错与层错反应而形成的。并且观察到L-C位错锁在高应力下切过的解锁机制。表面原子扩散是超细银纳米线拉伸变形过程中直径减少的主要诱因,并且层错台阶会促进表面自扩散过程。首次发现小尺寸下纳米线变形会发生刚性滑移。对于银纳米线,当其直径小于2.96 nm时更倾向发生刚性滑移。另外,我们在超细银纳米线的压缩和拉伸变形中观察到相变行为。相变过程都是在FCC密排面{111}面上通过剪切变形实现。[001]取向的银纳米线压缩变形会导致根部发生弯曲扭折。纳米线根部弯曲过程中,会形成三角形区域的压缩区和拉伸区,并发生多晶转变,最终形成三重孪晶。观察发现在压缩区域近基体区域存在高应力区,发生FCC→BCT→FCC(T)相变,这可由相变过程中切变应力无法释放从而形成不稳定BCT相来解释。压缩区域远离基体区域,发生FCC→BCT→HCP→FCC(T)相变;相变产生的不稳定BCT相转变为稳定的HCP相。
【图文】：

第 1 章 绪论用于触摸屏[17]。与需要昂贵真空工艺的 ITO 工艺相比(图 1-1(a))相比，银纳米线构成的网状结构复合干燥导电聚合物用作纳米折叠材料，诱导增强银纳米线之间以及和基板之间的毛细作用辅助粘附。这增强了基板的导电性、机械稳定性和对纳米线网状结构和基板的粘附性，并且工艺无需使用常规高温退火步骤，银纳米线复合透明电极是通过廉价的溶液工艺制备(图 1-1(b))。图 1-1(c)展示了高性能触摸屏和显示屏。透明触摸屏可灵敏地通过信号变化确定触摸位置，并同步显示在左侧的显示屏中。所制备的柔性透明电极保持其导电率超过 20000 次循环弯曲和 5%至 10%的拉伸。2019 年，，银纳米线的柔性触摸屏已经实际应用到折叠屏手机上，兼具实现灵敏准确的触控与高抗弯折的力学性能兼备。

AgNw-CPI 复合电极(a)制作的 OLED 器件的图例(b)等离子处理的影响(c)(d) O弯曲稳定性[15]gure 1-2 TheAgNW-cPI composite electrode (a) schematic description of the OLEbricated (b) Effects of plasma treatment (c)(d)Bending stability of the flexible OLE生物传感器和应力传感器物传感器(biosensor)是一种检测器件，能敏感地将生物的物质浓度形式输出。具有高度自动化、集成化的生物传感器在医学诊断、医监测等领域的广泛应用，使得低成本、高灵敏的葡萄糖生物传感器关注的焦点。SivaKumar-Krishnan 小组报道了壳聚糖（CS）负载银的酶电极成功应用与高灵敏度电化学葡萄糖生物传感[24]。如图 1-3化酶（GOx）酶通过高导电性的银纳米线电接触，从而显著增强氧璃碳电极表面之间的直接电子转移（DET）。此外，CS 聚合物基质极表面的 GOx 酶进行独特的自组装，这进一步有利于通过增加电 DET。通过电极收集到转移电荷导致电流可以检测浓度葡萄糖(G。所得到的生物传感器具有 16.72μAmM-1cm-2的高灵敏度，具有 1
【学位授予单位】：北京工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM914.4;TB383.1

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本文编号：2664932