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材料表面纳米尺度力学及电学特性的原子力显微镜研究

李立新  
【摘要】: 原子力显微镜不仅可以获得材料表面原子分辨的形貌图像,其更诱人之处在于它可以实现纳米尺度上的材料表面局域加工和对材料表面纳米尺度上的局域物理特性的原位测量。 本论文利用原子力显微镜首先对碳-碳sp~2杂化键网络在外力的作用下的机械特性进行了实验研究。理论和实验表明,碳纳米管具有极为优良的力学特性,它的强度比钢高100倍,但重量只有钢的六分之一,且具有良好的塑性和韧性。碳纳米管可以被看成由石墨片层卷曲而成的直径具有几个纳米的极微细的纤维管,因此,研究石墨片层中碳-碳sp~2杂化键网络在外力作用下的机械特性对研究碳纳米管的机械特性具有重要意义。本论文利用原子力显微镜的纳米加工功能研究了碳-碳sp~2杂化键网络在外力作用下的撕裂和折叠特点。发现碳-碳sp~2杂化键网络在外力作用下只能沿六角形的对称轴方向撕裂和折叠,但当外力方向与撕裂方向不同时,撕裂方向在宏观上会偏离对称轴方向,但在微观上仍是沿对称轴方向的,只是这时是沿对称轴的混合方向锯齿形撕裂的,且在外力足够大时撕裂片层会发生塑性变形。 有关电极间隧穿电子的波动特性以往主要采用扫描隧道显微镜电导谱与外加电压之间的振荡关系来研究的,而利用原子力显微镜的I-V曲线的振荡对电子波动特性的研究还未见报道。本文利用原子力显微镜研究了导电探针和银薄膜间隧穿电子的波动特性,发现当导电探针和银薄膜间的间距足够大时的非常规操作模式下,可以观察到由于电子驻波导致的I-V曲线的振荡,并以此可以推算出试样表面的功函数及探针与试样表面的间距。这项工作为扫描探针显微镜的电子干涉测量技术打开了一条新途径。 导体是自然界中最基本的材料,也是已经研究的比较透彻的一类材料,固体物理学与材料科学的知识大都建立在导体材料的理论基础之上,因此,任何对导体特性的进一步认识都具有深远和广泛的重要意义。本文利用原子力显微镜对导体表面势垒进行了实验和简单的理论研究。通过对导电探针与层状石墨试样间隧道电流的实验研究,发现在一定的外加电压下,隧穿电流并不随两电极间距的变化而变化。这些异常现象很难用一个多世纪以来人们一直使用的势井模型来解释,为此本文提出了导体的势杯模型。导体中的电子像杯中的“水”而不是像井中的“水”被约束在导体中。这一理论不仅可以解释我们上述异常的实验结果。而且可以解释以往所有的用势井模型来解释的实验结果。


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