（材料加工工程专业论文）镍纳米线的结构及其力学性能.pdf

山东大学硕。1 二学位论文镍纳米线的结构及其力学性能 摘要 对一维纳米线结构的研究是探讨纳米线其他性能的一个重要前提。随着 纳米线在微电机系统、纳米机械、纳米增强材料等领域的应用和推广，对纳 米线机械性能的探索具有很重要的意义。而一维纳米结构，如纳米线、纳米 管及纳米碳管等因其结构微小、实验较困难，使得分子动力学模拟被广泛应 用于纳米线的结构和性能的研究中。本文以分子动力学模拟作为研究手段， 探讨了镍纳米线的结构及其力学性能。 对于尺寸较大的镍纳米线，能保持宏观状态下的面心立方结构( f c c ) ，但 对于不同晶向、不同自由表面的f c c 结构，其能量和性质不尽相同。我们模 拟了不同尺寸的f c c 、 、。 1 11 和 晶向的镍纳米线， 其弛豫后的平均原子能量与收缩率随着纳米线尺寸的增加而减小，对于相同 尺寸的镍纳米线而言， 1 11 结构的平均原子能量与收缩率最低，这主 要与表面原子所占的比例及自由表面的晶向密切相关。 不论哪种晶向的镍纳米线，只要自由表面存在非密排面，当尺寸减小到 一定程度时，较大的表面应力就会驱使结构转变的发生，形成表面密排的超 细纳米线结构。我们通过弛豫退火、拉伸和卷曲组合三种方法探讨了镍超细 纳米线的结构。依照超细纳米线表面密排的原则，可以通过卷曲f c c ( 1 11 ) 面 的三角网格结构构造( 聊，一) 超细镍纳米线，并不是所有构造的( 脚，聆) 纳米线都 是稳定的，故还得通过能量最小化来获得稳定的纳米线结构。弛豫后，非螺 旋的( 5 ，5 ) 和( 6 ，6 ) 纳米线显示了相对较低的结构能；另外对不同横截面形状且 径向尺寸较细的f c c 结构的纳米线进行弛豫退火，即结构和能量的优化，亦 可获得不同的超细纳米线结构，且有很多结构与卷曲组合法获得的相同；在 f c c 晶向的纳米线拉伸模拟中，颈缩部位形成了较长的( 5 ，5 ) 结构，并 证实其是从( 6 ，5 ) 结构转变而来的。我们还尝试探讨了多壳镍纳米线结构，其 中( 12 ，6 ) ( 6 ，3 ) 结构较稳定，而螺旋多壳结构中( 11 ，6 ) ( 4 ，2 ) 、( 13 ，7 ) ( 6 ，3 ) 和( 1 4 ， 8 ) ( 7 ，4 ) 弛豫前后结构变化较小，相对也比较稳定。 稳定纳米线结构的力学性能，也是备受关注。我们探讨了镍不同晶向的 f c c 结构纳米线的尺寸效应，揭示了纳米线的弹性模量、屈服应力和屈服应变 等力学参数随着尺寸的变化规律。对镍纳米线的应变率效应研究，是以f c c 纳米线为例，当应变率较低时，变形机制主要是滑移变形，且屈服应力和 摘要 应变基本不变；当施以高应变率拉伸时，其结构将产生非晶转变，且屈服应力也 随着应变率的升高而增大。对不同结构的超细镍纳米线进行拉伸模拟，计算了超 细纳米线的弹性模量、屈服应力和屈服应变等力学参数，对拉伸变形过程中的原 子构型的变化进行了详尽的描述，探讨超细纳米线的变形机理。非螺旋的( 5 ，5 ) 和 ( 6 ，6 ) 镍纳米线有较高的屈服应力，但塑性较差。而螺旋结构，如( 7 ，4 ) 结构相 对就拥有较高的塑性变形能力。纳米线的螺旋特性有助其在拉伸中的塑性变 形，其变形是通过减少外壳原子链数m 来实现的。 关键词：分子动力学模拟；超细镍纳米线；拉伸力学性能；尺寸效应；应变 率效应 山东大学硕j ：学位论文镍纳米线的结构及其力学性能 a b s t r a c t t h er e s e a r c h e so nt h es t r u c t u r e so ft h eo n e d i m e n s i o n a ln a n o w i r e sa r eo f g r e a ts i g n i f i c a n c ei nt h ed e v e l o p m e n to ft h e i ro t h e rp r o p e r t i e s d u et ot h ew i d e a p p l i c a t i o n s i na r e a so f n a n o c o m p o s i t es t r e n g t h e n e r s a n d c o m p o n e n t s i n n a n o e l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m ( n e m s ) d e v i c e s ，k n o w l e d g eo nm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s o fn a n o w i r e si se x t r e m e l yi m p o r t a n t h o w e v e r ，t h eo n e d i m e n s i o n a ln a n o - s t r u c t u r e s ， s u c ha sm e t a ln a n o w i r e s ，n a n o t u b e sa n dc a r b o nn a n o t u b e s ，a r en o ta v a i l a b l ee a s i l yi n e x p e r i m e n t ，m o l e c u l a rd y n a m i c s ( m d ) s i m u l a t i o ns h o w si t si m p o r t a n c ei nt h er e s e a r c h o ft h es t r u c t u r e sa n dp r o p e r t i e so fn a n o w i r e s i nt h ep a p e r ，m ds i m u l a t i o ni sp e r f o r m e d t oe x p l o r et h es t r u c t u r e sa n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fn i c k e ln a n o w i r e s t h en in a n o w i r e sc a nk e e pf a c e - c e n t e r e d c u b i c ( f c c ) s t r u c t u r ew h e nt h e i r c r o s s s i z e sa r el a r g ee n o u g h h o w e v e r ，t h ee n e r g ya n dp r o p e r t i e sa r ed i v e r s ef o r n a n o w i r e sw i t hd i f f e r e n to r i e n t a t i o n sa n df r e es u r f a c e s f c c ， ， 111 ) a n d o r i e n t e dn in a n o w i r e sh a v eb e e nc o n s t r u c t e da n dr e l a x e d t oe x p l o r et h e i rs t r u c t u r a ls t a b i l i t i e sb yc a l c u l a t i n gt h e i rs i z ed e p e n d e n c eo ft h e t o t a le n e r g yp e ra t o ma n dc o n t r a c t i o nr a t i o t h ef i n d i n gi n d i c a t e st h a tt h ee n e r g y a n dc o n t r a c t i o nr a t i od e c r e a s ea ss i z ei n c r e a s e s ，a n dt h e 111 ) n a n o w i r e s s h o wt h el o w e s tl e v e la m o n gt h es i m u l a t e dn a n o w i r e s t h e s ea r ea t t r i b u t e dt ot h e r a t i oo fs u r f a c ea t o m sa n dd i f f 色r e n ts u r f a c eo r i e n t a t i o n s w h e nt h es i z ei ss m a l le n o u g h ，a sw e l la sn o n - c l o s e dp a c k i n go nt h ef r e e s u r f a c e s ，l a r g es u r f a c es t r e s sw i l li n d u c et h es t r u c t u r a lt r a n s f o r m i n ga n dc l o s e d p a c k i n go nt h es u r f a c e t h r e em e a s u r e sh a v eb e e nt a k e nt oe x p l o r et h es t r u c t u r e s o fu l t r a t h i nn in a n o w i r e sn a m e dr e l a x i n g a n n e a l i n gc i r c l e ，s t r e t c h i n ga n d c y l i n d r i c a lf o l d i n gr e s p e c t i v e l y a c c o r d i n gt ot h ec l o s e dp a c k i n go nt h es u r f a c e o fu l t r a t h i nn a n o w i r e s ，a t o m i cs t r u c t u r e so f ( 朋，刀) n in a n o w i r e sa r ec o n s t r u c t e d b yc y l i n d r i c a lf o l d i n go ft h e2 dt r i a n g u l a rf c c ( 1 11 ) l a t t i c es h e e t h o w e v e r ，n o t a l lc o n s t r u c t e d ( 朋，刀) n a n o w i r e sa r es t a b l e ，t h u s ，t h en a n o w i r e sa r er e l a x e db y e n e r g ym i n i m i z a t i o nw a y t h en o n h e l i c a l ( 5 ，5 ) a n d ( 6 ，6 ) s t r u c t u r e ss h o wm u c h l o w e rs t r u c t u r a le n e r g ya f t e rr e l a x a t i o ni nc o m p a r i s o nw i t ht h ee n e r g ya n dr a d i u s o fs t a b l en a n o w i r e s i na d d i t i o n ，s o m en a n o w i r e st h es a m ea st h ec y l i n d r i c a l f o l d i n g ( 肌，1 ) n a n o w i r e sc a nb eo b t a i n e db yr e l a x - a n n e a l i n g ( s t r u c t u r ea n d i i l 摘要 e n e r g yo p t i m i z a t i o n ) t h i nn a n o w i r e sw i t hf c cs t r u c t u r e t h e ( 5 ，5 ) s t r u c t u r e w h i c ht u r n sf r o m ( 6 ，5 ) s t r u c t u r ec a nb ef o r m e da tt h en e c k i n gp a r to ft e n s i o n e d f c cn a n o w i r e sa l o n gt h e c r y s t a l l o g r a p h i cd i r e c t i o n t h en in a n o w i r e s w i t hm u l t i s h e l ls t r u c t u r e ( m s ) h a v ea l s ob e e ne x p l o r e d t h ef i n d i n gi n d i c a t e s t h a t ( 1 2 ，6 ) ( 6 ，3 ) s t r u c t u r es h o w sl o w e re n e r g ya n dt h e ( 11 ，6 ) ( 4 ，2 ) ，( 1 3 ，7 ) ( 6 ，3 ) a n d ( 14 ，8 ) ( 7 ，4 ) s t r u c t u r e ss h o wal i t t l ec h a n g ei na t o m i cc o n f i g u r a t i o n sd u r i n g r e l a x a t i o na n dc a nb ea l s or e g a r d e da sb e i n gr e l a t i v es t a b l e t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h er e l a x e ds t a b l en a n o w i r e sa r et h eo t h e r a s p e c to fo u rr e s e a r c h e s w ee x p l o r et h es i z ee f f e c t so ft h ed i f f e r e n to r i e n t a t i o n s f c cn in a n o w i r e sa n dm a k eas u m m a r yo nt h ey o u n g sm o d u l u s ，y i e l d i n gs t r e s s a n dy i e l d i n gs t r a i na saf u n c t i o no ft h en a n o w i r e s s i z e t h es t r a i nr a t ee f f e c t sa r e e x e m p l i f i e db yl o a d i n gf c c n a n o w i r e s t h en a n o w i r e su n d e r g op l a s t i c s l i p p i n gd e f o r m a t i o na tl o ws t r a i nr a t e sa n dt h ey i e l d i n gs t r e s sa n ds t r a i na r eo n t h es a m el e v e l a th i g hs t r a i nr a t e s ，t h en a n o w i r e sc h a n g ef r o mc r y s t a l l i n e s t r u c t u r et o a m o r p h o u sp h a s ec o n t i n u o u s l ya n dt h ey i e l d i n gs t r e s si n c r e a s e sa s t h es t r a i nr a t ei n c r e a s e s t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fu l t r a t h i nn a n o w i r e ss u c h a sy o u n g sm o d u l u s ，y i e l d i n gs t r e s sa n ds t r a i na r ec a l c u l a t e db yt e n s i o n e d s i m u l a t i o n t h ed e f o r m a t i o nm e c h a n i s m so fu l t r a t h i nn in a n o w i r e sa r ee x p l o r e d b yd e s c r i b i n gt h es n a p s h o t so fa t o m i cc o n f i g u r a t i o n sa t s e v e r a ls t r a i n s t h e n o n - h e l i c a l ( 5 ，5 ) a n d ( 6 ，6 ) n a n o w i r e ss h o wh i g hy i e l d i n g s t r e s sb u tl o w p l a s t i c i t y t h eh e l i c a ls t r u c t u r e ，s u c ha s ( 7 ，4 ) s t r u c t u r e ，h a sag o o dp e r f o r m a n c e i np l a s t i cd e f o r m a t i o n t h eh e l i c a ln a n o w i r e sa r ep r o n et op l a s t i cd e f o r m a t i o nb y d e c r e a s i n gt h en u m b e ro fh e l i c a ls t r a n d s 脚 k e yw o r d s ：m o l e c u l a rd y n a m i c ss i m u l a t i o n ；u l t r a t h i n n i n a n o w i r e s ；t e n s i l e m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ；s i z ee f f e c t s ；s t r a i nr a t ee f f e c t s i v 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的科研成果。 对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：扬五色楹日 关于学位论文使用授权的声明 本人同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的印刷 件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名槛导师签名：珥日期：上业7 山东大学硕士学位论文镍纳米线的结构及其力学性能 主要创新点 1 分别用不同的方法：弛豫退火法、拉伸法和卷曲组合法得到超细纳米 线结构。在f c c 纳米线的拉伸模拟中，发现在颈缩位置形成( 5 ，5 ) 结构， 并证实( 5 ，5 ) 结构是从( 6 ，5 ) 结构转变而来的。而螺旋结构并非能量最低的结构， 非螺旋的( 5 ，5 ) 和( 6 ，6 ) 结构显示了更低的结构能。 2 从原子层次上分析了超细纳米线的变形机理，发现螺旋结构在拉伸过程 中的变形是通过减少外壳原子链数历来实现的，纳米线的螺旋特性有利其在拉伸 过程中的塑性变形。 v 山东大学硕上学位论文镍纳米线的结构及其力学性能 第一章绪论 1 1 选题意义 纳米科学与技术被公认为本世纪最重要的研究领域之一，纳米科技这一新 兴的多学科交叉的前沿领域，是现代科学( 混沌物理、量子力学、介观物理、 量子化学、分子生物学) 和现代技术( 计算机技术、微电子技术、扫描隧道显微 镜技术、核分析技术) 相结合的产物，纳米科技主要包括：纳米材料；微型和 超微型电机系统和其他综合系统；纳米级精度和表面形貌的测量；纳米级表面 物理、化学、机械性能的测量；纳米级精度的加工和纳米表层的原子和分子的 去除、搬迁和重组；纳米级微传感器和控制技术；纳米生物学等。19 5 9 年理查 德费曼提出了纳米这一概念，他大胆预言：“如果有一天，可以按人的意志安 排一个个原子，那将产生怎样的奇迹呢! “ic a n n o ts e ee x a c t l yw h a tw o u l dh a p p e n b u tic a nh a r d l yd o u b tt h a tw h e n w eh a v es o m ec o n t r o lo ft h ea r r a n g e m e n to ft h i n g so nas m a l ls c a l ew ew i l lg e ta n e n o r m o u s l yg r e a t e rr a n g eo fp o s s i b l ep r o p e r t i e st h a ts u b s t a n c e sc a nh a v e ，a n do f d i f f e r e n tt h i n g st h a tw ec a nd o l9 9 0 年，i b m 公司阿尔马登研究中心的科学家在纳米技术取得一项关键突 破，他们用3 5 个氙原子组成了i b m 三个字母，三个字母加起来还不到3 个纳米 长，利用隧道扫描显微技术使操纵原子变成了现实i i 】，印证了费曼的预言。一维 纳米线结构在各个领域也得到了广泛的探索和研究，像碳纳米管、金属纳米线 等。l9 9 1 年日本科学家i i j i m a 发现多壁碳纳米管( m w n t ) 【2 1 ，19 9 3 年i i j i m a 和 b e t t u n e 同时报道了单壁碳纳米管( s w n t ) 1 3 , 4 】。碳纳米管具有良好的力学性能、 高的强度和韧性，还有很好的刚性，是非常好的补强材料【5 】，而且具有良好导 电性和导热性1 6 , 7 l ；碳纳米管所拥有的潜在优越性决定了它的重大发展前景， 碳纳米管的发现引发了纳米领域的一场革命。 金属纳米线作为准一维纳米材料因其具有新颖特异的物理和化学性质以 及在纳米器件研究中的潜在应用前景，在近年来成为纳米领域研究的热点。一 维纳米线结构不仅可作为光、电、磁及微电机等发展的结构材料【8 11 】( 如纳米 器件和超大规模集成电路的连线、光导纤维、微电子的微型钻头和复合材料的 增强剂等) ，且有很大的潜力作为功能性纳米结构元件、扫描探针显微镜的探 针【眨】及纳米光电元件 1 3 l ( 如场发射元件、低能消耗纳米线l e d 、以s i 纳米线作 第一章绪论 为生化感测器和c u o 纳米线可作为太阳能电池等) 。纳米线的制造 1 4 1 部分，由 于目前微影技术的瓶颈限制了由薄膜蚀刻成纳米结构的线宽，无法以t o pd o w n 方法任意制造出不同直径的纳米结构；因此目前积极发展的一维纳米结构材料 的制造技术为b o t t o mu p 方法：t e m p l a t e 辅助成长法( a a m 辅助成长法和s o f t t e m p l a t e 辅助合成法) ，v l s ( v a p o r l i q u i d s o l i d ) 法、氧化物辅助成长法( 1 a s e r a b l a t i o n ) 和纳米晶粒辅助成长法。不同的金属，如镍、锰【15 1 、银【16 1 、铜【17 1 等， 被注入碳纳米管中，形成非常独特的复合材料，其优良的电学和力学性能引起 了广泛的关注。金属在碳纳米管中所形成的金属纳米线，其结构特征也被学者 探讨【1 8 】。碳纳米管和金属纳米线的优良性能相结合拥有广阔的应用前景。 然而纳米材料并非只是缩小物体尺寸而己，当元件尺寸降到l0 0 纳米以下 时，常会产生新的特性与现象【1 9 】。因为纳米材料的物理与化学性质如：表面效 应、尺寸效应、量子效应及穿隧效应等微观效应，会随着尺寸的减小而变化， 与宏观时有很大的不同。一维的纳米结构如纳米线、纳米管及纳米碳管等，其 结构微小，实验困难，相关的物理与化学性质，包括力学 2 0 , 2 1 】、热学1 2 2 , 2 3 】、 电磁学1 2 4 - 2 8 、光学1 2 9 , 3 0 】等都还需要进一步的研究和探讨。而在设计与制造全 新的纳米元件时，必须先了解其物理与化学性质，而研究方法一般分为实验、 模拟与理论推导，但是纳米尺度下的各种元件都极其微小，若以实验进行研究 常需耗费大量的资金与设备，而计算机模拟相对比较经济，且近年来由于电脑 运算速度的大幅提高，分子模拟技术的愈加完备，计算机模拟己被较多学者采 用。分子动力学模拟方法能通过原子运动来描述结构变形演化细节，因而在纳 米尺度下物理过程的数值模拟中得到了广泛的应用。 1 2 实验研究 研究纳米线的物理与化学性质，首先要探讨它的稳定结构，当纳米线的径 向尺寸足够大时，能保持宏观状态下的结构，而当尺寸小于某个极限值时，体 系就会发生结构转变，从而引起某些物理与化学性质发生有趣的改变，这吸引 了很多科学家的关注。同时，扫描隧道显微镜( s t m ) 、原子力显微镜( a f m ) 和 高分辨透射电镜( h r t e m ) 等近来发展的实验手段使得直接观察纳米尺度下的 原子运动成为了可能，大大推动了金属纳米线性质的研究。k o n d o 与 t a k a y a n a g i 31 ，3 2 】在超真空透射电子显微镜( u l t r a h i g hv a c u u mt r a n s m i s s i o n e l e c t r o nm i c r o s c o p y ，u h v t e m ) 下用电子束辐射在a u 薄膜上，成功制备超细金 2 m 东大学顿k 学位论文一一镰纳米线的结构艟1 油学性能 纳米线结构，当线径较大和线长较短时，a u 纳米桥是有规则的f c c 晶体 结构，而当金纳米线直径在3 纳米以下时，其结构将不同与面心立方结构而是 以螺旋多壳捧列而成，并描述了这种螺旋多壳结构( h e l i c a lm u l t i - s h e l ls t r u c t u r e h m s ) 类似于碳纳米管的螺旋构造模型，其中7 - lh m s 结构直径仅为o6t i m ( 构 造如图1 1 所示) 。2 0 0 3 年又成功制各了更细的( 5 ，3 ) 螺旋结构的金纳米管p ”， 其直径仅为0 4n m 。不仅在a u 纳米线中，而且在p t 纳米线中也发现了螺旋捧列 结构的证据1 3 4j 。不论是纳米线拉伸中形成的较长的f c c ( 1 1 0 纳米杆d 5 , 3 6 i ，甚 至单原子链结构1 3 1 ，还是成功制蔷出的螺旋多壳结构，这些实验结果都带动了 相关的理论研究和计算机模拟的发展，理论研究和模拟的深入也使我们加深了 对纳米线结构和性质的认识。尺寸效应和表而效应对纳米线的力学性能有显著 的影响，k i z u k a ”利用动态高分辨显微镜原位直接观察了金纳米线的拉伸、压 缩、剪切的动态过程，t a n 等d 9 i 利用原子力显微镜探讨了影响c u o 纳米线弹性 模量的因素。纳米线微小的结构的确给实验测试带来很大的困难，从而使模拟 计算或实验结合模拟计算成为了很有效的研究手段。 图i i7 1 、( 5 ，3 ) 等螺旋结构的高分辨透射屯镜幽厦原子模型”l f i g 1 】t h eh r t e mi m a g e sa n dm o d e l so f7 i ( 1 e f t ) ，( 5 ，3 ) ( r i g h t ) s t r u c t u r e s 1 3 模拟研究 计算机模拟的优越性使其在理论和实验之间建起了一座桥梁。2 0 世纪8 0 年 代后期，计算机技术的飞速发展以及多体势函数的提出与应用，为计算机模拟 技术注入了新的活力，计算已经与理论、实验三足鼎立，成为第三种科学研究 手段。图l 一2 表明了模拟计算与理论、实验手段之间相互支持、互为补充的关 系1 4 0 1 。一般而言，计算机模拟能够给出研究体系具体的结构信息，并充分利用 3 第一章绪论 计算机的特长，再现体系中的微观结构图像，解释材料及其性能形成的原因， 这是实验条件所无法比拟的。再者，计算机模拟能够预测体系结构及性能的演 变趋势，也能加入不同的外界条件的影响，在实验较难进行的条件下进行分析 研究，对实验研究做出理论解释、补充和弥补实验的不足，甚至能借此改造材 料，为材料制备工艺和工业应用奠定理论和实践基础。 s y 鼬s t e a m sh m 删n g l | 1 e x p e n m e n t e x p e r i m e n t a l r e s u l t s c o m p e e r s i m u l a b o n 。e x a c t 。 m o d e r e s u l t s m o d e l s y s t e m s t h e o r ya n d a p p r o x i m a t i o l t h e o r e t i c a i p r e d l c t i o n s c o m p a r i s o n | c o m p a n s o n t e s t o f m o d e i t e s t o f t h e o r y 图1 2 计算机模拟与实验、理论研究关系图1 4 0 1 f i g 1 - 2t h er e l a t i o n s h i p sb e t w e e ne x p e r i m e n t s ，t h e o r e t i c a lr e s e a r c h e sa n dc o m p u t e r s i m u l a t i o n s 1 4 0 】 目前，经常采用的计算机模拟方法有分子动力学方法( m o l e c u l a rd y n a m i c s ， 简称m d ) ，包括经典分子动力模拟和从头算m d ( a bi n i t i om d ) ；蒙特卡罗方法 ( m o n t ec a r l o ，即m c ) ；利用衍射实验数据产生原子三维位型的逆蒙特卡罗方 法( r m c ) ；晶格动力学方法( l a t t i c ed y n a m i c s ) 和第一性原理( f i r s tp r i n c i p l e s m e t h o db a s e do nd e n s i t yf u n c t i o n a lt h e o r y ) 等。 分子动力学模拟即利用牛顿运动方程来模拟材料内原子的运动，以确定系统内 每个原子在选定的势函数下发生的瞬时位置和速度的变化情况，进行系统的能量以 及受力统计，从而获得不同热力学及动力学下的原子分布组态。它的基本思想1 4 u 是针对定的边界条件、温度条件建立起粒子系统的牛顿运动方程或修正的牛顿运 4 山东大学硕士学位论文镍纳米线的结构及其力学性能 动方程，根据原子间的势能函数计算原子间受到的作用力，求出每刻原子的位置 和速度，进而得到粒子系统在空间中随时间演化的轨迹，最后再利用统计模式求得 相应的物理性质及动能特性。大体而言，模拟过程就是建立合适的原子间势能公式， 通过计算机进行各种计算，使系统达到受力最小、能量最低的平衡态。分子动力学 理论在1 9 5 0 年由i r v i n g 和k i r k w o o d l 4 2 1 首先提出；1 9 5 7 年a d l e r 等【4 3 1 首次采用分子动力 学成功解决硬球模型系统的固液相变问题；1 9 6 0 年g i b s o n 等1 4 4 】根据连续势函数研究 了晶体的辐射损伤；1 9 6 4 年r a h m a n 4 q 发表了一篇题为“c o r r e l a t i o n si nt h em o t i o n s o f a t o m si nl i q u i da r g o n 的文章，利用l j 作用势研究了a r 体系的液态性质，他所开 发的分子动力学代码到目前为止还有很多人在使用；l9 6 7 年，v e r l e t 4 6 】利用l j 作用 势计算a r 的相图的过程中，提出了著名的v e r l e t 近邻列表( v e r l e tn e i g h b o rl i s t ) ，而且 使用了v e r l e t 时间积分算法，在目前仍有很多人采用该方法来处理牛顿运动方程； 1 9 8 0 年前后，a n d e r s o n 47 1 ，p a r r i n e l l o 和r a h m a n l 4 8 。5 0 1 提出了等压分子动力学模拟方 法，用于调温技术的n o s e h o o v e r 热浴法【5 1 , 5 2 】、g a u s s i a n 热浴法【5 3 1 也先后被提出。近 年来，分子动力学已广泛用于凝聚态物理、材料科学、核技术、化学反应动力学、 生物化学和药物设计等领域。分子动力学模拟也成为了纳米线结构及性能研究的有 力工具。 在19 9 8 年，g u l s e r e n i ”】用退火法模拟了无限长的a l 和p b 纳米线形成奇异的 非晶体结构，包括二十面体密堆和螺旋结构，推导了这些结构的平均原子能量 和线半径的关系式。t o s a t t i 在奇异的a u 纳米线一文中展示了如何构造螺旋结构 模型，如l4 7 1 螺旋多壳结构【5 5 】，进而用f c c ( 1 11 ) 平面的晶格图，很好的解释 了超细纳米线的结构，用( m ，甩) 的形式表示每个壳层的原子结构特征，册表示其 壳层的原子链数，拧代表手性特征【56 1 。w a n g 等【5 7 1 用遗传算法研究了超细的a u 纳米线结构，直径小于3a m 的纳米线显示出螺旋多壳特征，当直径大于3n m ， 除了表层原子外，纳米线显示出稳定的f c c 结构。单壳金纳米管的结合能、能 带结构、态密度等性能揭示( 5 ，5 ) 结构的稳定性和螺旋原子链数聊与电导性并没 有直接的联系58 1 。i g u c h i 阐明了纳米结构从非螺旋到螺旋转变的模型【5 9 1 。一些 学者对其他金属如钠【6 0 1 、银【6 1 羽l 等纳米线的f c c 结构及螺旋结构的性质 也进行了研究。金属纳米线的单原子链【6 4 1 、单壳纳米管、多壳螺旋以及到几个 原子宽还稳定存在的f c c 等结构都向我们揭示了纳米线结构的奇异特 征。 一维纳米线作为纳米级连接材料、复合增强材料，对其机械性能的研究具有重 第一章绪论 要的意义。而分子动力学已被广泛用于力学性能研究上，对于a u 6 5 ，66 1 、p t l 6 7 , 6 8 】、 a l l 6 9 1 、c u t 7 0 , 7 1 】、n i l 7 2 , 7 3 】、n i c u1 7 4 1 、p d p t 7 5 】等纳米线的拉伸模拟表明，当应变率较 低时，材料的变形机制主要是滑移变形，且屈服应力和应变基本不变；当施以高 应变率拉伸时，其结构将发生非晶转变，且屈服应力也随着应变率的升高而增大。 而对于不同尺寸的a u 7 6 1 、n i t 7 2 1 、c u 77 1 、g a n t 7 8 1 等金属纳米线模拟结果显示，随 着尺寸的增加，纳米线的弹性模量增大，屈服应力减小。对f c c 金属纳米线不同 晶向的拉伸模拟显示【6 5 , 7 9 - 8 2 】，不同晶向的纳米线变形机理也不同，一般来说在相 同尺寸时，弹性模量e e e 。不同结构的超细纳米线包括( 6 ，6 ) 【8 3 - 8 引、 ( 7 ，4 ) t 8 6 1 及单原子链结构8 7 1 的力学性能也被学者探讨。而在对c u 、n i 、a u 、p t 、 a g 纳米线拉伸模拟中，发现只有a u 、p t 纳米线形成了单原子链结构8 8 1 。l i 等8 9 , 9 0 】 把纳米线和碳纳米管结合起来，研究了碳纳米线、n i a l 纳米线在碳纳米管中的拉 伸力学性能。 1 4 本文研究的主要内容和目的 综上所述，对一维纳米线结构的研究是探讨纳米线其他性能的一个重要前 提。随着纳米线在微电机系统、纳米机械、纳米增强材料等领域的应用和推 广，研究纳米线的机械性能有很重要的意义。故在硕士学习期间，进行如下 工作： 1 探讨镍纳米线的结构及其稳定性 纳米线的结构，特别是超细纳米线的结构和宏观下的晶体结构有很大的 区别，由于结构的尺寸小，比表面积和表面应力较大，纳米线趋向形成能量 最小的表面密排结构。我们拟用弛豫退火法、拉伸法和f c c 密排面的卷曲组 合法探讨超细纳米线的稳定结构。另外，我们还构建了多种螺旋多壳纳米线 结构，探讨其可能稳定存在的结构。 2 研究不同纳米线结构的拉伸力学性能 计算不同晶向、不同尺寸的f c c 结构纳米线的弹性模量、屈服应力和屈 服应变等力学参数，并且探讨不同应变率下的变形机制。对超细纳米线的拉 伸力学性能进行模拟研究。 6 通过以上工作，预达到如下目的： 1 将模拟程序的算法和理论相结合，进一步掌握分子动力学模拟计算方 山东大学硕上学位论文镍纳米线的结构及j 力学性能 2 从原子层次上探讨纳米线的结构转变及其稳定的构型，探讨力学性能 同纳米线结构的联系； 3 得到稳定纳米线的结构信息，为其他性能的计算做准备；同时建立一 套系统的力学性能的计算方法。 参考文献 【l 】d m e i g l e r , a n de k s c h w e i z e r , p o s i t i o n i n gs i n g l ea t o m sw i t has c a n n i n gt u n n e l l i n g m i c r o s c o p e ，n a t u r e3 4 4 ，5 2 4 - 5 2 6 ( 19 9 0 ) 【2 】s i i j i m a ，h e l i c a lm i c r o t u b u l e so f g r a p h i t ec a r b o n 【j 】，n a t u r e ，3 5 4 ：5 6 5 8 ( 1 9 9 1 ) 【3 】s 1 i j i m a ，a n dt i c h i h a s h i ，s i n g l e - s h e l lc a r b o nn a n o t u b e so f1 - n md i a m e t e r , n a t u r e3 6 3 ， 6 0 3 - 6 0 5 ( 19 9 3 ) 【4 】d s b e t h u n e ，c h k l a n g ，m s d ev r i e s ，gg o r m a n ，r s a v o y ，j v a z q u e z ，a n dr b e y e r s ， c o b a l t - c a t a l y s e dg r o w t ho fc a r b o nn a n o t u b e sw i t hs i n g l e - a t o m i cl a y e rw a l l s n a t u r e3 6 3 ， 6 0 5 - 6 0 7 ( 19 9 3 ) 【5 】m - f y u ，b s f i l e s ，s a r e p a l l i ，a n dr s r u o f f , t e n s i l el o a d i n go fr o p e so fs i n g l ew a l l c a r b o nn a n o t u b e sa n dt h e i rm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，p h y s r e v l e t t 8 4 ，5 5 5 2 - 5 5 5 5 ( 2 0 0 0 ) 【6 】s j t a n s ，m h d e v o r e t ，h d a i ，a t h e s s ，r e s m a l l e y , l j g e e r l i g s ，a n dc d e k k e r ， i n d i v i d u a ls i n g l e w a l lc a r b o nn a n o t u b e sa sq u a n t u mw i r e s ，n a t u r e3 8 6 ，4 7 4 - 4 7 7 ( 19 9 7 ) 【7 】j h o n e ，b b a t l o g g ，z b e n e s ，a t j o h n s o n ，a n dj e f i s c