本文關(guān)鍵詞：納米晶超晶格的形成機(jī)理及力學(xué)性能研究

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【摘要】：納米晶超晶格是一種由有機(jī)分子(配體)包覆的納米晶通過(guò)自組裝構(gòu)筑而成的二維或三維空間周期性的長(zhǎng)程有序超結(jié)構(gòu)。由于具有獨(dú)特的光電磁性質(zhì)以及靈活的可調(diào)控性,納米晶超晶格在電子、光電、熱傳導(dǎo)和大陽(yáng)能電池等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力,是目前化學(xué)材料領(lǐng)域的一個(gè)前沿研究熱點(diǎn)。研究納米晶超晶格的形成機(jī)理和力學(xué)性能對(duì)其制備合成與器件應(yīng)用有著重要的理論指導(dǎo)意義。本文主要圍繞納米晶超晶格的形成機(jī)理與結(jié)構(gòu)力學(xué)性能展開(kāi)了系統(tǒng)的理論模擬研究,主要工作可歸納如下:本文利用布朗動(dòng)力學(xué)模擬研究了十二硫醇修飾的金納米晶在甲苯-空氣界面的自組裝行為。隨著晶粒尺寸從3 nm增加到9 nm,研究發(fā)現(xiàn)金納米晶組裝成三種不同的相態(tài),即耗散相、類圓形團(tuán)簇和分散晶粒共存的混合相以及致密的樹枝分形相。研究結(jié)果表明納米晶的組裝相態(tài)是由其相互作用強(qiáng)度Φ_c決定的,并且Φ_c≈-3.5K_BT最適合組裝成完整的六方排布的單層膜結(jié)構(gòu)。這些模擬結(jié)果對(duì)制備金納米晶單層膜材料具有重要的意義,因?yàn)榧{米晶的相互作用可以通過(guò)改變晶粒尺寸、配體長(zhǎng)度以及溶劑性質(zhì)來(lái)調(diào)控。納米晶的相互作用對(duì)理解超晶格的形成機(jī)理與力學(xué)性能有著重要的意義。本文利用原子尺度受限分子動(dòng)力學(xué)模擬研究了硫醇修飾的正四面體金納米晶在真空中的相互作用。研究發(fā)現(xiàn)正四面體金納米晶的相互作用強(qiáng)烈依賴于納米晶的柔軟度(配體長(zhǎng)度與晶粒尺寸的比值)。當(dāng)柔軟度較小的時(shí)候,正四面體金納米晶的相互作用與晶粒排列取向有關(guān),表現(xiàn)出最強(qiáng)的面對(duì)面相互作用。然而,隨著柔軟度的逐漸增加,正四面體金納米晶的相互作用會(huì)從各向異性向各向同性轉(zhuǎn)變。研究還發(fā)現(xiàn)配體長(zhǎng)度和晶粒尺寸的改變均會(huì)影響正四面體金納米晶的相互作用強(qiáng)度。晶粒間距對(duì)納米晶超晶格的光電性質(zhì)至關(guān)重要�；谠映叨确肿觿�(dòng)力學(xué)模擬,本文系統(tǒng)研究了晶粒尺寸、配體長(zhǎng)度和外部壓強(qiáng)對(duì)硫醇修飾的金納米晶超晶格晶粒間距的影響。研究表明晶粒間距隨配體長(zhǎng)度的增加而線性增加,隨壓強(qiáng)的減小而增加,然而與納米晶尺寸無(wú)關(guān),這與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合。另外,通過(guò)比較晶粒間距與一對(duì)納米晶平衡距離的大小,發(fā)現(xiàn)納米晶超晶格內(nèi)部存在排斥的多體作用。結(jié)果表明,配體越長(zhǎng)和晶粒尺寸越小,納米晶超晶格的多體作用就越強(qiáng)。納米晶超晶格的力學(xué)性能對(duì)其實(shí)際應(yīng)用有著重要的意義。本文利用原子尺度分子動(dòng)力學(xué)模擬系統(tǒng)研究了晶粒尺寸、配體長(zhǎng)度和晶粒結(jié)晶度對(duì)硫醇修飾的金納米晶超晶格彈性性質(zhì)的影響。結(jié)果表明金納米晶超晶格的楊氏模量在1 GPa左右,剪切模量在100MPa左右。研究發(fā)現(xiàn),隨著晶粒尺寸增加超晶格的楊氏模量明顯減小而剪切模量基本不變;隨著配體長(zhǎng)度增加超晶格的楊氏模量增加但剪切模量減小。此外,當(dāng)納米晶由多晶變?yōu)橄嗤叽绲膯尉r(shí),超晶格的楊氏模量會(huì)顯著增加。這些結(jié)果可以歸因于晶粒尺寸、晶粒形狀和配體長(zhǎng)度的變化而引起的配體-配體相互作用改變。本文利用原子尺度分子動(dòng)力學(xué)模擬研究了硫醇修飾的金納米晶超晶格彈性性質(zhì)的拉壓不對(duì)稱性。研究發(fā)現(xiàn)在單軸拉伸和壓縮狀態(tài)下,金納米晶超晶格表現(xiàn)出明顯不對(duì)稱的彈性常數(shù)C_(11)和C_(12),然而在正負(fù)純剪狀態(tài)下C44是對(duì)稱的。研究結(jié)果表明,配體在壓縮狀態(tài)下相互作用得更多使超晶格變硬,而在拉伸狀態(tài)下相互作用得較少使超晶格變軟,從而導(dǎo)致了C_(11)和C_(12)的彈性不對(duì)稱性。此外,超晶格拉壓彈性不對(duì)稱性與配體長(zhǎng)度和晶粒尺寸均無(wú)關(guān)。本文利用粗顆粒化分子動(dòng)力學(xué)模擬研究了硫醇修飾的金納米晶單層膜的單向拉伸力學(xué)行為。結(jié)果表明,單層膜的楊氏模量在6-15GPa范圍內(nèi),并隨著晶粒尺寸的增加和配體長(zhǎng)度的減小而減小。研究發(fā)現(xiàn),在內(nèi)部產(chǎn)生缺陷之前,超晶格經(jīng)歷了彈性和非彈性兩個(gè)變形階段。隨著應(yīng)變的增大,單層膜的破壞從內(nèi)部開(kāi)始,同時(shí)形成兩條與拉伸方向成±600的滑移帶,對(duì)稱地向外部延伸,并引發(fā)孔洞和裂紋,最終導(dǎo)致試件的斷裂。本文從納米晶超晶格的形成機(jī)理與結(jié)構(gòu)力學(xué)性能出發(fā),分別就塊體金納米晶超晶格的晶粒間距、多體效應(yīng)、彈性性質(zhì)和拉壓不對(duì)稱性,以及金納米晶單層膜的形成機(jī)制和宏觀拉伸力學(xué)行為進(jìn)行了研究,并探究了非球形四面體金納米晶在真空中的相互作用,為納米晶超晶格的制備合成與實(shí)際應(yīng)用提供了理論依據(jù)。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TB383.1

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