原位透射电镜电子束辐照诱导SiO<,x>纳米线结构不稳定性和纳米加工研究
当今纳米科学技术研究背景要求我们不仅要从纳米尺度(极小空间限制或“纳尺寸”效应)，而且要从纳、皮、飞秒时间尺度(超快时间限制或“纳时间”效应)去揭示材料的结构和性能。但在现有文献中，除朱贤方等对电子束和离子束辐照下硅中纳米孔以及电子束辐照下碳纳米管的结构不稳定性进行较系统研究外，目前尚未发现有人从非平衡、极度局域和超快角度对电子束辐照下纳米线的结构不稳定性和纳米加工进行系统研究。具体地讲，虽然目前硅纳米线、氧化锌纳米线以及金属纳米线等在电子束辐照下的结构变化实验现象已经有了一些零散、不系统的文献报道，但这些文献并没有把电子束辐照诱导纳米线结构不稳定性和纳米加工作为一个独立课题进行系统研究，更重要的是这些文献没有揭示对纳米线结构不稳定性起关键作用的表面纳米曲率效应及电子束超快过程效应纳米科学本质问题。
为此，本论文利用发展成熟的透射电镜原位观察技术，进一步系统深入地研究了高能电子束非平衡、极度局域和超快辐照对SiOx纳米线结构不稳定性的影响。
首先，在表面纳米线曲率效应对SiOx纳米线结构不稳定性理论预言的指引下，在保持相同电子束辐照条件的前提下，设计了以下三组样品从非平衡和极度局域角度对SiOx纳米线的结构不稳定性进行系统深入的研究：(1)一端固定另一端自由的SiOx纳米线；(2)两端固定且轴向平直的SiOx纳米线；(3)两端固定且轴向弯曲的SiOx纳米线。研究结果表明，因受表面纳米曲率效应的驱动，曲率较大处原子在电子束辐照下优先“融蒸”或沿纳米线表面向曲率较小处进行“扩散”，或者正曲率处原子沿纳米线表面向负曲率处进行“扩散”，因而一端固定另一端自由SiOx纳米线以及两端固定且轴向弯曲SiOx纳米线迅速轴向收缩，而两端固定且轴向平直SiOx纳米线仅进行相对较为缓慢的径向收缩，进一步减小其表面能。上述电子束辐照下SiOx纳米线的收缩具有以下几个普遍特点：(1)SiOx纳米线的收缩机制主要有两种：一是有选择性的“融蒸”；一是有方向性的“扩散”；(2)曲率越大的地方，纳米线收缩越快。所有这些都从实验上对表面纳米曲率效应理论进行了验证。
其次，在电子束超快过程效应对SiOx纳米线结构不稳定性理论预言的指引下，设计了以下四种实验从非平衡和超快角度对SiOx纳米线的结构不稳定性进行系统深入的研究：(1)电子束辐照诱导SiOx纳米线“软模”效应；(2)能量沉积速率对SiOx纳米线结构不稳定性的影响；(3)电子束辐照诱导SiOx纳米线切割；(4)电子束辐照诱导SiOx纳米线焊接。研究结果表明，当电子束束斑直径大于纳米线直径且聚焦于纳米线中心时，单根两端固定且轴向平直的SiOx纳米线出现软化、瞬态塑性流变伸长和相应的“s”型结构转变，两根两端均固定且交叉的SiOx纳米线出现软化、由“x”型向“x”型结构转变，这些都为电子束辐照诱导“声子”软模提供了直接实验证据。此外还发现，当辐照电流密度增大时，电子束“融蒸”和“扩散”作用也会随之增强，而且“融蒸”作用增加得更快。利用这点，还实现了SiOx纳米线的切割与焊接。所有这些都从实验上对电子束超快过程效应理论进行了验证。
上述高能超快电子束辐照下SiOx纳米线的结构不稳定性和纳米加工研究具有十分重要的现实指导意义，它为确定新一代SiOx纳米线纳米器件结构制造和加工及性能稳定提供了一定的参考。更重要的是，上述研究结果还具有十分重要的科学研究意义，它直接揭示了现有文献中经常忽略的表面纳米曲率效应和能量束超快诱导“声子”软模和“点阵”失稳纳米科学本质问题，进一步证实了表面纳米曲率效应和能量束超快诱导“声子”软模和“点阵”失稳概念具有很强的普适性，能够用来统一预言和解释能量束超快辐照下各种低维纳米结构的不稳定性和纳米加工。
原位透射电镜;电子束;辐照诱导;纳米线;结构不稳定性;纳米加工
厦门大学
硕士
凝聚态物理
朱贤方
2008
中文
TB383
75
2009-07-17（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）