首次报到17到550纳米直径的氧化锌(0001)纳米线的杨氏膜量的尺度效应。对于小于120纳米的氧化锌测量的膜量是随着直径的减少而显著增加的。明显高于那些更大直径的膜量值,而他们的膜量已经趋向于和体氧化锌的膜量。一个核壳复合纳米线模型被提出来介石尺度效应的原因。这个模型根据表面刚化效应而提出,与明显的键长度收缩有关,而表面的键长收缩在接近(10-10)自由表面。这个现象要扩展几个层,深入体内部,然后慢慢消失。
作为光电装置连接和活动部件(interconnect and active),和纳米机电系统的部件,纳米线吸引大量兴趣。力学属性的尺度效应对于应用很重要。
实验上,CNT的弯曲膜量和Ag等杨氏膜量发现随着直径降低显著增加。然而Cr和Si的研究发现相反的趋势。他们的膜量是随着降低直径而减少的。
SiC纳米棒和Au纳米线的杨氏膜量与尺度无关。
通过直接的原子模拟或者与连续理论想联系进行理论研究纳米结构的力学响应。
纳米结构的弹性响应已经被通过非线性效应、表面应力和表面弹性来解释。
通过原子模拟,miller和shenoy定了一个比例常数,使得对于si和Al纳米梁的表面弹性有个联系,解释了杨氏膜量的尺度效应。但是没有考虑物理上为什么发生这个现象。
尽管理论和实验的结果,但是,相对于氧化物的研究相当少。最近,一维氧化锌纳米材料的力学行为成为实验和理论研究的重点。Bai等得到0001方向的平均杨氏膜量52GPa。YUm研具了悬臂梁ZnO纳米带的动力学行为。通过共振频率,计算的杨氏膜量为38-100GPa、最近,AFM,Song 研究vertically aligned 0001的ZnO纳米线弹性膜量,得到平均值为29+-8GPa。这些报到都没有明显的尺度效应。其值都远小于体材料的,140GPa
MD模拟拉伸4nm时表面膜量增加。高于体材料的值。
本文中,直径17-550的纳米线的杨氏膜量研究。采用电场有法共振的方法。结果发现了尺度效应。并且用一个模型解释。
大直径核金额一致方向生长的纳米线通过控制热蒸发过程得到。因此合成的线具有单晶特征,Wurtzite结构。晶格常数知道。
纳米线长度为7-17未满。为了方便的独立操作,一个圆柱的基体使用,使得自由的纳米线垂直的从基体上长。
圆柱基体上生长了纳米线,然后基体被直接固定到扫描电镜的样品台。人工造的逮有一个Tungsten尖的操作议用来接近纳米线。可调直流电压,交流电等仪器来通过纳米线和{jd0}。共振直接通过SEM的屏幕得到。
决定基本频率是关键。区分力共振还是参数共振。小尺度结构对于参数激励很敏感。对于施加的电场,两者取一个。
区分不正确到职不正确的测量。
YU观察多个频率的共振,认为是参数共振。然而,这些参数没有明显的物理意义。Liu等建模了参数共振的CNT,他们认为两个平行的电极间垂直定位。对于动力学是不实际的。
我们采用了区分的方法,避免了不确定。
我们安装非常尖的tungsten探针半径为20-100纳米,我们实验发现参数共振由纳米线的方向和cuntering尖的方向有关。和实际的力施加的方向有关。如果纳米线平行于尖,到职一个轴向力,参数激励主要。而力施加为横向时,力激励为主。这个和周期性轴向加载的宏观梁的参数共振一致。典型的参数失稳。
测量的值是半径的函数。对于各项异性性梁,共振法测量的值就是有效杨氏膜量。这里的研究对象有5个独立参数。杨氏膜量的公式为。
代入弹性常数,得到体的膜量为140GPa。
对于大直径的大于120nm,测量的膜量不迷感直径,且接近于140GPa。
反之随着直径减小而大量增加。发现与长度无关。
由于实验是高单晶情况。可以认为尺度效应来自于表面的情况。大的体积比使得表面效应突出。指出,弯曲变形(振动)是表面经受了{zd0}应力和应变,相对于中心轴。就这个原因,表面弹性对于有效刚度的贡献要考虑。
ZnO纳米线的表面方向已知。关于表面结构研究发现表面精力了松弛,键发生收缩,在面内和二聚体中心轴。对于薄膜,这种收缩能影响到5-6层。
松弛可能对于弹性有很大影响。弹性常数和原子间相互作用相关。体材料,弹性常数大约变化d(-4)、在表面,减少的坐标数效应应该考虑。
具有改性表面的纳米线处理为复合核壳模型。分析了尺度有关的弹性膜量。k
控制很截面变形的弯曲刚度,定义为
得到值分析。
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