铁纳米结构原位原子尺度形变机制研究

The extensive applications of nano-technology and nano-devices may offer solutions to our environmental issues and energy crisis. To better design and build nano-devices, key steps were the ability to reveal the microscopic deformation mechanisms in nano-structures. Nonetheless, due to the limitation of the experimental techniques, the majority of the deformation mechanisms in single Fe nano-structures are based on theoretical studies, while the experimental evidence is still lacking. Employing the in-situ transmission electron microscopy, this project aims to reveal the real-time atomic-scale microstructural evolution and fracture process of single Fe nano-structures under external mechanical stress. Firstly, the structures and compositions of single Fe nano-structures will be studied by scanning electron microscopy and various transmission electron microscopy (TEM) techniques including the selected-area electron diffraction, high resolution TEM, energy dispersive spectroscopy, and electron energy loss spectroscopy, etc. In subsequence, the dynamic deformation process of single Fe nano-structures will be characterized by the in-situ high resolution TEM. In combination with the first-principles calculation or (and) molecular dynamics simulation, our results may facilitate better understanding of the mechanical behaviors in single Fe nano-structures, and thus provide references for their potential applications in nano-devices.

纳米技术与纳米器件的广泛应用有可能从根本上解决人类面临的环境污染、能源紧缺等重大问题。合理设计与构筑纳米器件需要建立在对纳米结构微观力学形变机制澄清的基础上。然而，由于技术及实验条件的限制，研究人员对单一铁纳米结构形变机制的认识很大程度上还借助于理论手段，缺乏直接的实验证据。本课题提出运用原位透射电子显微技术，实时表征单一铁纳米结构在外界应力作用下原子尺度结构演变以及断裂、失效方式等。拟先利用扫描电子显微技术以及透射电子显微技术，包括选区电子衍射、高分辨像、X射线能量色散谱、电子能量损失谱等，对单一铁纳米结构进行微结构及成分分析。其次，利用原位高分辨透射电子显微技术对其原子尺度的力学响应进行表征，并结合第一性原理计算或者（以及）分子动力学模拟，研究单一铁纳米结构的微观形变机制。课题研究结果将为单一铁纳米结构在器件中的潜在应用提供力学参考。

纳米技术与纳米器件的广泛应用有可能从根本上解决人类面临的环境污染、能源紧缺等重大问题。合理设计与构筑纳米器件需要建立在对纳米结构微观结构及其力学形变机制澄清的基础上。本项目利用透射电子显微技术，包括选区电子衍射、高分辨像、X射线能量色散谱、电子能量损失谱等，对体心立方Fe纳米结构进行微结构表征及成分分析；并结合原位电子显微技术及理论计算（分子动力学模拟等）研究其原子尺度的力学形变机制。项目的主要进展如下：（1）针对单一Fe纳米颗粒进行结构及成分分析，通过电子衍射与电子能量损失谱相结合确定纳米颗粒具有Fe/Fe3O4的核壳结构，随后，对纳米颗粒在高温下的原子尺度结构演变进行实时观察与表征。通过实验及理论计算首次揭示了O原子在Fe纳米颗粒中的“嵌入“及“脱嵌“路径，研究结果为理解Fe纳米颗粒的微观结构及结构性能调控提供基础。利用上述方法研究其他金属（包括体心立方金属Mo）的氧化及金属氧化物的可控制备；（2）在透射电镜中有效去除Fe纳米线表面的氧化物，通对施加应力，首次实时观察到单一亚10纳米Fe纳米线的原子尺度形变机制，并将该方法推广应用于研究Ag、Ni纳米线的力学形变机理。上述研究成果将为相关纳米器件的构筑提供借鉴。本项目顺利完成了申请书所提出的主要研究内容，相关后续研究工作在进一步开展之中。