原位透射电镜电子束辐照诱导SWCNT结构不稳定性研究

摘要

在当前纳米科学研究背景下，材料基础科学前沿已不仅开始在纳米尺寸(极度尺寸局域限制)，而且开始在纳、皮、飞秒时间尺度(极度超快时间限制)上揭示材料结构和性能。尤其是系统研究能量束与相关低维纳米材料非平衡、极度局域和超快相互作用，不仅可以为当前的纳米材料加工工艺提供关键的参考和指导，更重要的是，可以揭示与低维纳米结构纳米曲率相关的“纳尺寸”效应和与超快能量束非热激活相关的“纳时间”效应的纳米科学本质问题。 为此，我们在前人能量束诱导硅锗材料中纳米孔结构不稳定性的研究基础上，选取SWCNT作为辐照研究对象，采用我们自行发展的一套研究高能电子束与相关低维纳米材料交互作用的研究方法，重新考察了三组不同形态SWCNTs的结构不稳定性：(1)一端固定一端自由的SWCNT；(2)两端固定的SWCNT；(3)同一观察视场中轴向弯曲与轴向平直的SWCNT。实验结果表明，在相同条件的电子束辐照下，一端固定一端自由的SWCNT以快速轴向收缩减少其表面能，而径向收缩和颈缩相对慢得多；两端固定的SWCNT表现为明显的径向收缩和颈缩；而对于同一观察视场中轴向弯曲与轴向平直SWCNTs不稳定性的比较，实验结果表明轴向弯曲的SWCNT更不稳定，并易于轴向收缩，而轴向平直SWCNT仅能靠径向收缩来减少其表面能。此外，我们在两端固定SWCNT的颈缩过程中还首次观察到了电子束非热激活诱导引起SWCNT表面塑性流变或湿润效应的直接实验证据。整体实验表明，SWCNT纳米曲率效应和电子束非热激活对SWCNTs结构不稳定性起着关键影响。 从以上SWCNT纳米曲率效应和电子束非热激活效应引起的SWCNT结构不稳定性的实验现象出发，我们进一步从广义的低维纳米结构纳米曲率效应和超快能量束诱导“点阵”失稳和“声子”软模效应对SWCNT在高能电子束非热激活辐照下的结构不稳定性进行了深入分析讨论和模拟，并给出了全新、全面、正确的解释。这种以“纳尺寸”和“纳时间”效应对SWCNT结构不稳定性的分析从根本上克服了传统knock-on机制在解释低维纳米结构内禀不稳定性和能量束与低维纳米材料交互作用方面的局限，从而进一步完善和拓展了现有的低维纳米结构纳米曲率和超快能量束诱导“点阵”失稳和“声子”软模概念和相关纳米科学体系。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1引言

1.2论文的主要内容

1.3论文的基本框架

参考文献

第二章低维纳米材料的辐照研究方法

2.1引言

2.2TEM的主要结构和基本原理

2.2.1TEM的主要结构

2.2.2TEM的成像衬度

2.2.3本论文中使用的TEM

2.3TEM原位辐照方法

2.3.1原位辐照的电镜操作

2.3.2TEM辐照实验中的重要参数

2.4 SWCNT样品的制备

2.5原位辐照实验总流程

参考文献

第三章电子束辐照下SWCNTs不稳定性的实验观察

3.1引言

3.2实验结果

3.2.1一端固定一端自由SWCNT辐照时的轴向和径向收缩

3.2.2两端固定SWCNT辐照时的径向收缩

3.2.3轴向弯曲与轴向平直SWCNT不稳定性的比较

3.3小结

参考文献

第四章SWCNT纳米曲率效应与电子束超快过程效应

4.1引言

4.2 SWCNT纳米曲率效应

4.3电子束超快过程效应

4.4小结

参考文献

第五章总结与展望

附录：硕士期间的研究成果

致谢