纳米晶超晶格的形成机理及力学性能研究

摘要

纳米晶超晶格是一种由有机分子（配体）包覆的纳米晶通过自组装构筑而成的二维或三维空间周期性的长程有序超结构。由于具有独特的光电磁性质以及灵活的可调控性，纳米晶超晶格在电子、光电、热传导和大阳能电池等领域具有巨大的应用潜力，是目前化学材料领域的一个前沿研究热点。研究纳米晶超晶格的形成机理和力学性能对其制备合成与器件应用有着重要的理论指导意义。本文主要围绕纳米晶超晶格的形成机理与结构力学性能展开了系统的理论模拟研究，主要工作可归纳如下:
　　本文利用布朗动力学模拟研究了十二硫醇修饰的金纳米晶在甲苯-空气界面的自组装行为。随着晶粒尺寸从3 nm增加到9 nm，研究发现金纳米晶组装成三种不同的相态，即耗散相、类圆形团簇和分散晶粒共存的混合相以及致密的树枝分形相。研究结果表明纳米晶的组装相态是由其相互作用强度Φc决定的，并且Φc≈-3.5KBT最适合组装成完整的六方排布的单层膜结构。这些模拟结果对制备金纳米晶单层膜材料具有重要的意义，因为纳米晶的相互作用可以通过改变晶粒尺寸、配体长度以及溶剂性质来调控。
　　纳米晶的相互作用对理解超晶格的形成机理与力学性能有着重要的意义。本文利用原子尺度受限分子动力学模拟研究了硫醇修饰的正四面体金纳米晶在真空中的相互作用。研究发现正四面体金纳米晶的相互作用强烈依赖于纳米晶的柔软度（配体长度与晶粒尺寸的比值）。当柔软度较小的时候，正四面体金纳米晶的相互作用与晶粒排列取向有关，表现出最强的面对面相互作用。然而，随着柔软度的逐渐增加，正四面体金纳米晶的相互作用会从各向异性向各向同性转变。研究还发现配体长度和晶粒尺寸的改变均会影响正四面体金纳米晶的相互作用强度。
　　晶粒间距对纳米晶超晶格的光电性质至关重要。基于原子尺度分子动力学模拟，本文系统研究了晶粒尺寸、配体长度和外部压强对硫醇修饰的金纳米晶超晶格晶粒间距的影响。研究表明晶粒间距随配体长度的增加而线性增加，随压强的减小而增加，然而与纳米晶尺寸无关，这与实验数据吻合。另外，通过比较晶粒间距与一对纳米晶平衡距离的大小，发现纳米晶超晶格内部存在排斥的多体作用。结果表明，配体越长和晶粒尺寸越小，纳米晶超晶格的多体作用就越强。
　　纳米晶超晶格的力学性能对其实际应用有着重要的意义。本文利用原子尺度分子动力学模拟系统研宄了晶粒尺寸、配体长度和晶粒结晶度对硫醇修饰的金纳米晶超晶格弹性性质的影响。结果表明金纳米晶超晶格的杨氏模量在1 GPa左右，剪切模量在100 MPa左右。研究发现，随着晶粒尺寸增加超晶格的杨氏模量明显减小而剪切模量基本不变;随着配体长度增加超晶格的杨氏模量增加但剪切模量减小。此外，当纳米晶由多晶变为相同尺寸的单晶时，超晶格的杨氏模量会显著增加。这些结果可以归因于晶粒尺寸、晶粒形状和配体长度的变化而引起的配体-配体相互作用改变。
　　本文利用原子尺度分子动力学模拟研究了硫醇修饰的金纳米晶超晶格弹性性质的拉压不对称性。研究发现在单轴拉伸和压缩状态下，金纳米晶超晶格表现出明显不对称的弹性常数C11和C12，然而在正负纯剪状态下C44是对称的。研究结果表明，配体在压缩状态下相互作用得更多使超晶格变硬，而在拉伸状态下相互作用得较少使超晶格变软，从而导致了C11和C12的弹性不对称性。此外，超晶格拉压弹性不对称性与配体长度和晶粒尺寸均无关。
　　本文利用粗颗粒化分子动力学模拟研究了硫醇修饰的金纳米晶单层膜的单向拉伸力学行为。结果表明，单层膜的杨氏模量在6-15 GPa范围内，并随着晶粒尺寸的增加和配体长度的减小而减小。研究发现，在内部产生缺陷之前，超晶格经历了弹性和非弹性两个变形阶段。随着应变的增大，单层膜的破坏从内部开始，同时形成两条与拉伸方向成±600的滑移带，对称地向外部延伸，并引发孔洞和裂纹，最终导致试件的断裂。
　　本文从纳米晶超晶格的形成机理与结构力学性能出发，分别就块体金纳米晶超晶格的晶粒间距、多体效应、弹性性质和拉压不对称性，以及金纳米晶单层膜的形成机制和宏观拉伸力学行为进行了研究，并探究了非球形四面体金纳米晶在真空中的相互作用，为纳米晶超晶格的制备合成与实际应用提供了理论依据。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1．1 纳米晶超晶格的制备

1．1．2 纳米晶超晶格的结构形成

1．1．3 纳米晶超晶格的力学性能

1．1．4 纳米晶之间的相互作用

1．2 纳米晶超晶格结构形成及力学性能的关键问题

1．3 本文主要内容

第二章 理论研究方法

2．1 引言

2．2 分子动力学方法

2．3 布朗动力学方法

2．4 受限分子动力学方法

2．5 感兴趣宏观物理量的提取

2．6 本章小结

第三章 金纳米晶在溶液-空气界面上尺寸依赖的自组装

3．1 引言

3．2 纳米晶相互作用模型和模拟方法

3．2．1 表面修饰金纳米晶的相互作用模型

3．2．2 模拟方法

3．3 纳米晶成核的临界面积浓度

3．4 晶粒尺寸依赖的组装相态

3．5 纳米晶组装结构的分形维数和生长机制

3．6 本章小结

第四章 硫醇修饰的正四面体金纳米晶相互作用研究

4．1 引言

4．2 模型和方法

4．2．1 原于建模细节

4．2．2 平均力势的计算方法

4．3 纳米晶柔软度对相互作用的影响

4．4 相互作用各向异性的起源

4．5 晶粒排列取向对相互作用的影响

4．6 晶粒尺寸和配体长度对相互作用强度的影响

4．7 本章小结

第五章 金纳米晶超晶格晶粒间距和多体效应的模拟研究

5．1 引言

5．2 模型和方法

5．3 晶粒尺寸对晶粒间距的影响

5．4 配体长度对晶粒间距的影响

5．5 外部压强对晶粒间距的影响

5．6 多体效应对晶粒间距的影响

5．7 本章小结

第六章 金纳米晶超晶格弹性性质的模拟研究

6．1 引言

6．2 计算模型和方法

6．2．1 原子尺度模拟细节

6．2．2 弹性模量的计算方法

6．3 晶粒尺寸对弹性模量的影响

6．4 配体长度对弹性模量的影响

6．5 纳米晶结晶度对弹性模量的影响

6．6 本章小结

第七章 金纳米晶超晶格的弹性不对称性

7．1 引言

7．2 计算模型和方法

7．2．1 模拟细节

7．2．2 弹性张量的计算方法

7．3 弹性不对称性模拟结果

7．4 弹性不对称性机理分析

7．5 晶粒尺寸和配体长度对弹性不对称性的影响

7．6 本章小结

第八章 二维金纳米晶超晶格拉伸行为的粗颗粒化模拟

8．1 引言

8．2 模型和方法

8．3 应力应变关系

8．4 晶粒尺寸对拉伸力学性能的影响

8．5 配体长度对拉伸力学性能的影响

8．6 本章小结

9．1 工作总结

9．2 主要创新点

9．3 工作展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果