纳米材料表面效应

1、纳米材料的表面效应材料0701 李愿学号：1002070101参考文献：1、卢柯、卢磊 金属纳米材料力学性能的研究进展 金属学报 2000年8月第36卷第8期：785789摘要 金属纳米按体材料具有独特的力学性能如高强度、超高延展性等。近年来得到广泛深入的研究。在对其新进展进行简要评述的基础上，讨论了它的强度、塑性、弹性模量、应变强化、超塑性、蠕变及变形机理等相关问题。2、吴锦雷 纳米材料的电学、光学和光电性能及应用前景 真空电子学术 2002年第4期：2327摘要： 简要介绍了纳米材料的电学性能以及单电子器件的基本原理和应用；纳米材料的光学性 能和光电性能，高的光吸收系数和光致荧光现象可使其

2、应用于敏感元件，由于其光电特性具 有超快响应速度，可望在超快光电子器件中得到应用。3、齐卫宏、汪明朴 纳米金属微粒表征量的基本关系 材料导报 2002年9月第16卷 第9期：7677 摘要： 在假定纳米微粒近似成球形的前提下，推导出了粒径、微粒原子数、表面原子百分数及 比表面积之间的相互关系式，这些关系式对实验将会有一些指导作用。 4、梁海弋、倪向贵、王秀喜 表面效应对纳米铜杆拉伸性能影响的原子模拟 金属学报 2001年8月第37卷第8期 833836摘要： 采用eam势对纳米铜杆的拉伸力学性能进行零温分子动力学模拟。研究表面效应对原子能量、截面应力分布的影响模拟结果表明，表面原子弛豫降低了纳

3、米杆初始阶段的拉伸弹性模量。表面效应明显影响截面应力的发展与分布。5、 黄丹、陶伟明、郭乙木 分子动力学模拟纳米镍单晶的表面效应 固体力学学报 2005年6月第26卷第2期：241244摘要： 对单晶镍纳米丝、纳米薄膜零温准静态拉伸破坏过程进行了分子动力学模拟。模拟表明表 面效应对单晶纳米材料的原子运动及整体力学行为有显著影响。自由表面增加纳米材料的塑性、降低其强度，影响纳米材料的变形机制。受表面效应的作用，纳米镍丝强度与弹性模量均低于纳米镍薄膜。纳米薄膜的断裂接近脆性断裂，断裂强度符合griffith理想晶体脆断理论；纳米镍丝在断裂过程中表现出微弱塑性。 6、陈小亮，李远坪，郑安节 微纳米尺

4、度单晶体变形中的表面效应探讨 重庆力学学会2009年学术年会论文集 111114摘要： 微纳米结构由于具有具有很大的比表面积，因此其表面能量不可忽视。固体总势能项中包含表面能量项，本文通过表面能来计算表面能量，基于最小势能原理发展了一个表面能模型，推导了相应的三维弹塑性有限元分析公式，得到了考虑表面能效应的三维弹塑性变形位移场的计算公式。最后该方法被应用于分析了单晶铜纳米线的自由弛豫变形特征，数值模拟结果与分子动力学方法模拟结果也较一致。7、方道来，郑翠红，朱伟长，晋传贵 nife2o4纳米晶的制备及表面效应对其比饱和磁化强度的影响 材料科学与工程 2001年3月第19卷第1期：8689摘要：

5、 以 feso2·7 h2o和niso4·7h2o为原料，首先制备出颗粒细小的碱式碳酸盐前驱体，在 300700焙烧1h后，制备出铁酸镍纳米晶，粒径为854nm，粒度均匀。通过测量它的比饱和磁化强度与比表面积s，得出经验公式( s )=（)( 1s)，运用非共线磁结构理论很好地解释了上述经验公式，并得到纳米晶的非共线表面层的厚度。8、洪家旺，方岱宁 表面效应对铁电纳米线性能的影响 郑州大学学报（工学版） 2008年12月 第29卷第4期：15摘要： 在landauginsburgdevonshire(lgd)理论的基础上，建立了铁电纳米线的理论模 型，并通过与第一原理计算结

6、果的对比，建立了一种获取外延长度的新方法。对于pb(zr0.5ti0.5)o3ti )o3(pzt)纳米线，其外延长度为20nm。计算结果表明，在pzt纳米线中存在0.8nm的临界直径，同时揭示了纳米线的表面效应对其铁电性能的抑制作用。9、冯倩、黄志高、都有为 磁性多层膜磁特性的表面效应 物理学报 2003年11月第52卷第11期：29062911摘要： 利用montecarlo方法和转移矩阵法研究了具有不同表面交换耦js和薄膜厚度磁性多层膜的表面和尺寸对磁相变的影响。模拟结果表明，系统的相变温度随薄膜层数的变化取决于js/j ( j为体内交换耦合)，当js/j大于某一临界值时，由于表面磁有序

7、先于体内磁有序，系统的相变温度随薄膜层数的增多而降低；反之，表面磁无序可与体内磁有序共存，系统的相变温度随薄膜层数的增多而升高；当js/ j较小时，随js增大，系统的居里温度缓慢升高，趋近于体内相变温度，而当js/j较大时随js增大，系统的居里温度呈线性升高。模拟结果与用转移矩阵法推导出的结果相当符合，且很好地解释了实验事实。10、王补宣、周乐平、彭晓峰 尺寸效应和表面效应对纳米颗粒比热容的影响 热科学与技术 2 0 0 4年3月第3卷第1期 16摘要： 从弹性介质假设出发，考虑内部和表面原子对比热容的贡献不同，建立起纳米颗粒比热 容的理论模型。分析了尺寸效应、温度和表面原子振动软化对纳米颗粒

8、比热容的影响提出比热容与尺寸和温度之间的关系；以氧化铜颗粒为计算对象，具体计算考虑表面和尺寸效应的比热容，结果与实验数据符合较好。 11、wh qi、mp wang、m zhou and w y hu surface-area-difference model for thermodynamic properties of metallic nanocrystalsj. phys. d: appl. phys. 38 (2005) 14291436abstract： the surface-area-difference (sad) model is developed for the coh

9、esive energy of metallic crystals by taking into account surface effects, and has been extended to predict the thermodynamic properties of metallic nanoparticles, nanowires and nano films with free and non-free surfaces (embedded in a matrix). it is found that the thermodynamic properties of metalli

10、c nanocrystals depend on the crystal size and the interface coherence, where the interface coherence determines the variation tendency (increasing or decreasing), and the size determines the magnitude of the variation. the present calculated results on the thermodynamic properties of metallic nanocr

11、ystals by the sad model are consistent with the corresponding experimental values.摘要： sad（表面差异）模型是为计算金属晶体的结合能建立的，该模型考虑了表面效应并且已经用来预测复合材料中有自由和非自由表面的金属纳米颗粒、纳米线、纳米薄膜的热力学性能。研究发现金属纳米颗粒的热力学性能取决于纳米颗粒的尺寸和界面结合程度，而界面结合程度决定了性能变化的趋势，颗粒的尺寸决定了性能变化的大小。目前通过sad模型计算的金属纳米颗粒的热力学性能与相关的实验数据一致。12、y. j. l、w. h. qi、b.y. huan

12、g、m. p. wang、and s. y. xiongmodeling the melting temperature of metallic nanowiresmodern physics letters b, vol. 24, no. 22 (2010) 23452356abstract: a model is developed to account for the size-dependent melting temperature of pure metallic and bimetallic nanowires, where the effects of the contribu

13、tions of all surface atoms to the surface area, lattice and surface packing factors and the cross-sectional shape of the nanowires are considered. as the size decreases, the melting temperature functions of pure metallic and bimetallic nanowires decrease almost with the same size-dependent trend. du

14、e to the inclusion of the above effects, the present model can also be applied to investigate the melting temperature depression rate of different low-dimensional system, accurately. the validity of the model is veri-ed by the data of experiments and molecular dynamics simulations.摘要： 本文作者建立一个模型，用来解

15、释纯金属和二元合金纳米线的尺寸决定熔化温度并考虑了纳米线材料中所有表面原子、表面区域、点阵、表面排列因素以及跨区域的形状等因素的影响。随着尺寸的减小，纯金属和二元合金纳米线的熔化温度函数也跟着降低。由于考虑了上述因素的影响，这个模型也可以用来研究低维材料的熔化温度变化率。这个模型的有效性被实验结果和分子动力学模拟所证实。13、shiyun xiong、weihong qi、baiyun huang、mingpuwang、yejun lisize and shape dependent gibbs free energy and phase stability of titanium and z

16、irconium nanoparticles materials chemistry and physics 120 (2010) 446451abstract:the debye model of helmholtz free energy for bulk material is generalized to gibbs free energy (gfe) model for nanomaterial, while a shape factor is introduced to characterize the shape effect on gfe. the structural tra

17、nsitions of ti and zr nanoparticles are predicted based on gfe. it is further found that gfe decreases with the shape factor and increases with decreasing of the particle size. the critical size of structural transformation for nanoparticles goes up as temperature increases in the absence of change

18、in shape factor. for specified temperature, the critical size climbs up with the increase of shape factor. the present predictions agree well with experiment values.摘要; 体材料的亥姆霍兹自由能的德拜模型一般化为纳米材料的吉布斯自由能模型，这需要引入表征形状效应的一个形状因子。可以用吉布斯自由能模型预测钛和锆纳米粒子的结构变化。 深入研究发现吉布斯自由能随着形状因子降低并随着纳米颗粒尺寸的降低而增加。当形状因子保持不变时，纳米颗粒

19、结构转变的临界尺寸随着温度的升高而增大。对于特定温度，临界尺寸随着形状因子增加而增大。预测结果与实验值匹配很好。 纳米材料因其尺寸小，表现出与固体材料的不同的力、热、光、电、磁、生物、化学性质【1、2】，这些不同的性质使得纳米材料成为未来材料研究的热点，并有希望引领新一次技术革命。 纳米材料的表面效应（surface effect）又称为界面效应，是指纳米粒子的表面原子数与总原子数之比随粒径减小而急剧增大后引起性质上的变化。纳米尺寸小，表面能高，位于表面的原子占相当大的比例。纳米颗粒的表面原子所处环境与内部原子不同，配位数小，有许多悬空键，易与与其它原子相结合稳定。纳米材料的比表面积是判断纳米

20、材料的一个很重要的指标。近似球形的纳米微粒的比表面积可以表示为s=cn-1/3或者s'=c'd-1/2（n为原子数，d为粒子直径，c、c'为常数）【3】。纳米材料的表面会发生重构和弛豫，纳米纳米材料这种独特的表面效应影响了纳米材料的各种性质。1. 力学性能： 纳米材料的强度随着尺寸的减小而增加，满足hallpetch关系：= 0+ k d-1/2 ，但是过了临界尺寸会出现反hallpetch关系即随着直径的减小强度下降。siegel等认为，单质纳米材料的变形过程仍然由位错运动主导，因而呈现出硬化效应(k>0）合金和化合物纳米材料的位错运动受到抑制，从而不再主导变形

21、过程，变形由晶界行为控制，因而呈现出软化效应( k<0）。梁海弋【4】等采用eam势对纳米铜杆的拉伸力学性能进行零温分子动力学模拟，得出结论：纳米杆表面张应力的存在使表面原子发生弛豫，杆长度缩短，杆截面呈对角收缩的四边外凸形状。弛豫状态下纳米杆表面应力、表面剩余能均很大，并存在表面受拉、内部受压的本征应力状态。弛豫导致纳米杆初始拉伸模量降低。在弛豫态和拉伸过程中，表面高能量区局限于表面两层原子，表面高应力区局限于表面一层原子拉伸过程中，截面应力分布不均匀。下图中出现应力突然下降是因为表面生成了堆垛层错。杆件释放的应变能被位错所消耗继续拉仲刚导致大量的小规模滑移事件，杆件的拉伸模量没有明显

22、变化。陈小亮等【6】用有限元得到了表面能效应的公式，应用于分析了单晶铜纳米线的自由弛豫变形特征，数值模拟结果与分子动力学方法模拟结果也较一致。陈小亮的模型可以用来解释梁海弋的结果。但该模型只与铜纳米线的分子动力学方法模拟结果较一致，适用性较窄，应将模型一般化，解释更多的情形。 黄丹等【5】对单晶镍纳米丝、纳米薄膜零温准静态拉伸破坏过程进行了分子动力学模拟表明：受表面效应影响，纳米材料存在本征应力和很高的表面能；纳米丝的拉伸强度、弹性模量、原子能量和应力水平低于纳米薄膜，而延性高于纳米薄膜。自由表面改变了晶体的变形机制，纳米薄膜的变形以原子滑移为主，破坏类似于宏观脆性断裂，断裂强度21.08gp

23、a，可以用griflith理想晶体脆断理论解释；纳米丝的变形中位错和原子滑移同时起作用，使纳米丝表现出一定的韧性，出现微弱塑性流动，拉伸强度为14.58gpa特征尺寸相同的纳米丝弹性模量约为纳米薄膜的一半。 黄丹等研究了纳米丝和纳米薄膜，由于纳米线和纳米薄膜的结构不同，表现出了不同的力学性能。受表面效应影响，纳米材料存在本征应力和很高的表面能。纳米丝的自由表面比纳米薄膜多，因此外部原子储存的表面能更高。在加载初期，模型内部原子能量升高，而表面原子释放表面能，故纳米丝原子平均能量增加比纳米薄膜缓慢。当表面能的释放小于外加能量时，纳米丝的能量也开始上升。在加载后期，纳米薄膜 中由于大量的原子空位和

24、微缺陷，原子结合力弱，原子滑移主导了薄膜的变形并引起理想晶格破坏，原子势能增加，而纳米丝的大量自由表面发射位错，在静态加载过程中位错消耗晶格的应变能，因此纳米丝系统能量低于纳米薄膜，上升梯度也低于纳米薄膜。 梁海弋应该对铜纳米薄膜进行一下模拟。如果对单晶单晶铜纳米丝、纳米薄膜零温准静态拉伸破坏过程进行了分子动力学模拟，结果应该与镍的情形类似。因为铜和镍的晶体结构相同，都是面心立方。2、 磁性能： 方道来等【7】通过测量nife2o4纳米晶的比饱和磁化强度与比表面积s，得出经验公式( s )=（) ( 1s) ，运用非共线磁结构理论很好地解释了上述经验公式，并得到纳米晶的非共线表面层的厚度。他们

25、建立一个简单的模型：纳米晶粒由两部分不同的磁化 向量组成，第一部分为厚度为f的非共线表面层，它的自旋磁化向量在外磁场的作用下只能转到与磁场成一平均倾斜角；第二部分为纳米晶的内部，它的磁化向量能完全转到磁场方向。其表面都有一层厚度为的非共线表面层；晶粒愈小，表面层所占的比例愈大，比饱和磁化强 度喊小得愈多，表面效应的影响愈显著。洪家旺等【8】建立了一个模型。计算结果表明，在pzt纳米线中存在0 .8nm的临界直径，同时揭示了纳米线的表面效应对其铁电性能的抑制作用。随着外延长度增加，表面效应减弱，表面的极化强度与纳米线中心的极化强度差别逐渐减小，当外延长度无限长时，极化强度在纳米线中均匀分布。随着

26、外延长度减小。纳米线中的极化强度逐渐减小，这说明表面效应限制了纳米线的铁电性，随着直径逐渐减小，表面效应增强，这种抑制效果将更加明显。这是铁电纳米线在小尺度下失去铁电性的一个重要原因。洪家旺并没有给出一个比较合理的理论解释。冯倩等【9】利用montecarlo方法和转移矩阵法研究了具有不同表面交换耦js和薄膜厚度磁性多层膜的表面和尺寸对磁相变的影响。当js/j大于某一临界值时，由于表面磁有序先于体内磁有序，系统的相变温度随薄膜层数的增多而降低；反之，表面磁无序可与体内磁有序共存，系统的相变温度随薄膜层数的增多而升高；当 js/ j较小时，随js增大，系统的居里温度缓慢升高，趋近于体内相变温度，

27、而当 js/j较大时随js增大，系统的居里温度呈线性升高。冯倩的研究很有理论价值，居里温度升高会拓宽磁性材料的适用范围，对磁性材料的设计也具有指导意义。3、 热力学性质 王补宣等【10】从弹性介质假设出发，考虑内部和表面原子对比热容的贡献不同，建立起纳米颗粒比热容的理论模型。假设表面原子的平均配位数为zs，内部原子的配位数为z，可定义软化因子ls为ls=。表面效应的贡献表现在软化因子ls上。若由色散关系计算得到声子振动频率为，则对应的表面原子振动频率应为ls。以氧化铜颗粒为计算对象，具体计算考虑表面和尺寸效应的比热容，结果与实验数据符合较好。 软化因子的引入使纳米材料与体相材料区别开来，建议作者搜集起软化因子的数据，对各种晶格类型进行计算，得出一个普遍的规律。齐卫宏等【11】建