原位透射電鏡電子束輻照誘導(dǎo)SiO-,x-納米線結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定性和納米加工研究.pdf

1、當(dāng)今納米科學(xué)技術(shù)研究背景要求我們不僅要從納米尺度(極小空間限制或“納尺寸”效應(yīng))，而且要從納、皮、飛秒時間尺度(超快時間限制或“納時間”效應(yīng))去揭示材料的結(jié)構(gòu)和性能。但在現(xiàn)有文獻(xiàn)中，除朱賢方等對電子束和離子束輻照下硅中納米孔以及電子束輻照下碳納米管的結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定性進(jìn)行較系統(tǒng)研究外，目前尚未發(fā)現(xiàn)有人從非平衡、極度局域和超快角度對電子束輻照下納米線的結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定性和納米加工進(jìn)行系統(tǒng)研究。具體地講，雖然目前硅納米線、氧化鋅納米線以及金屬納米線等在

2、電子束輻照下的結(jié)構(gòu)變化實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象已經(jīng)有了一些零散、不系統(tǒng)的文獻(xiàn)報道，但這些文獻(xiàn)并沒有把電子束輻照誘導(dǎo)納米線結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定性和納米加工作為一個獨(dú)立課題進(jìn)行系統(tǒng)研究，更重要的是這些文獻(xiàn)沒有揭示對納米線結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定性起關(guān)鍵作用的表面納米曲率效應(yīng)及電子束超快過程效應(yīng)納米科學(xué)本質(zhì)問題。 為此，本論文利用發(fā)展成熟的透射電鏡原位觀察技術(shù)，進(jìn)一步系統(tǒng)深入地研究了高能電子束非平衡、極度局域和超快輻照對SiOx納米線結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定性的影響。 首先，在表

3、面納米線曲率效應(yīng)對SiOx納米線結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定性理論預(yù)言的指引下，在保持相同電子束輻照條件的前提下，設(shè)計(jì)了以下三組樣品從非平衡和極度局域角度對SiOx納米線的結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定性進(jìn)行系統(tǒng)深入的研究：(1)一端固定另一端自由的SiOx納米線；(2)兩端固定且軸向平直的SiOx納米線；(3)兩端固定且軸向彎曲的SiOx納米線。研究結(jié)果表明，因受表面納米曲率效應(yīng)的驅(qū)動，曲率較大處原子在電子束輻照下優(yōu)先“融蒸”或沿納米線表面向曲率較小處進(jìn)行“擴(kuò)散”，或者正

4、曲率處原子沿納米線表面向負(fù)曲率處進(jìn)行“擴(kuò)散”，因而一端固定另一端自由SiOx納米線以及兩端固定且軸向彎曲SiOx納米線迅速軸向收縮，而兩端固定且軸向平直SiOx納米線僅進(jìn)行相對較為緩慢的徑向收縮，進(jìn)一步減小其表面能。上述電子束輻照下SiOx納米線的收縮具有以下幾個普遍特點(diǎn)：(1)SiOx納米線的收縮機(jī)制主要有兩種：一是有選擇性的“融蒸”；一是有方向性的“擴(kuò)散”；(2)曲率越大的地方，納米線收縮越快。所有這些都從實(shí)驗(yàn)上對表面納米曲率效應(yīng)理

5、論進(jìn)行了驗(yàn)證。 其次，在電子束超快過程效應(yīng)對SiOx納米線結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定性理論預(yù)言的指引下，設(shè)計(jì)了以下四種實(shí)驗(yàn)從非平衡和超快角度對SiOx納米線的結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定性進(jìn)行系統(tǒng)深入的研究：(1)電子束輻照誘導(dǎo)SiOx納米線“軟模”效應(yīng)；(2)能量沉積速率對SiOx納米線結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定性的影響；(3)電子束輻照誘導(dǎo)SiOx納米線切割；(4)電子束輻照誘導(dǎo)SiOx納米線焊接。研究結(jié)果表明，當(dāng)電子束束斑直徑大于納米線直徑且聚焦于納米線中心時，單根兩端固

6、定且軸向平直的SiOx納米線出現(xiàn)軟化、瞬態(tài)塑性流變伸長和相應(yīng)的“s”型結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，兩根兩端均固定且交叉的SiOx納米線出現(xiàn)軟化、由“x”型向“x”型結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，這些都為電子束輻照誘導(dǎo)“聲子”軟模提供了直接實(shí)驗(yàn)證據(jù)。此外還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)輻照電流密度增大時，電子束“融蒸”和“擴(kuò)散”作用也會隨之增強(qiáng)，而且“融蒸”作用增加得更快。利用這點(diǎn)，還實(shí)現(xiàn)了SiOx納米線的切割與焊接。所有這些都從實(shí)驗(yàn)上對電子束超快過程效應(yīng)理論進(jìn)行了驗(yàn)證。 上述高能超快電子

7、束輻照下SiOx納米線的結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定性和納米加工研究具有十分重要的現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義，它為確定新一代SiOx納米線納米器件結(jié)構(gòu)制造和加工及性能穩(wěn)定提供了一定的參考。更重要的是，上述研究結(jié)果還具有十分重要的科學(xué)研究意義，它直接揭示了現(xiàn)有文獻(xiàn)中經(jīng)常忽略的表面納米曲率效應(yīng)和能量束超快誘導(dǎo)“聲子”軟模和“點(diǎn)陣”失穩(wěn)納米科學(xué)本質(zhì)問題，進(jìn)一步證實(shí)了表面納米曲率效應(yīng)和能量束超快誘導(dǎo)“聲子”軟模和“點(diǎn)陣”失穩(wěn)概念具有很強(qiáng)的普適性，能夠用來統(tǒng)一預(yù)言和解釋能量束超