发布日期:2006年12月04日
Forum of Young Scientists on Nanoscale Physics and Mechanics
本次论坛活动于2006年10月21~22日在南京航空航天大学举行,由中国科学技术协会和开云棋牌官方 青年工作委员会主办,南京航空航天大学协办。南京航空航天大学郭万林教授、中科院物理所孙庆丰研究员和清华大学冯西桥教授任论坛执行主席。
本次论坛的主要议题是:
1)微纳尺度多场耦合及相关材料奇异物理和力学特性;
2)纳功能器件物理力学原理、生长制备与测控、表征与稳定性;
3)生物分子功能系统和分子仿生、分子电子学;
4)多尺度与跨尺度方法、纳尺度物理力学试验技术;
5)相关物理力学等交叉学科的理论、方法和技术。
本次论坛组织这一专题的交叉学科研讨,旨在对纳尺度材料与结构、纳功能器件和系统以及生物与仿生工程等领域共存的重要物理力学问题等进行深入探讨,统一认识,寻求发展方向,促进我国力学学科向交叉学科的发展和纳尺度物理力学的研究、促进各学科青年科学家间的交流与合作、加强相互了解和增进友谊,提升我国纳米科技的研究水平。
本次活动举行了简短的开幕式。薛其坤院士主持开幕式并代表中国科协介绍了青年科学家论坛的发展历程,论坛的精神和目的,并回顾了十多年来论坛在学术交流、促进人才成长和集思广益的成果并给予积极的展望。南京航空航天大学副校长聂宏教授致欢迎词,欢迎到会的各位专家,并介绍了南航的发展和纳米科学研究的进展情况。郭万林教授代表论坛执行主席对中国科学技术协会、开云棋牌官方 青年工作委员会以及各位与会代表的大力支持表示感谢。开幕式后全体代表合影留念。
浙江大学校长杨卫院士、清华大学薛其坤院士分别做了特别邀请报告。杨卫院士在题为“Revealing defect revolution nanostructure”的报告中,介绍了其研究组近年来在微纳米尺度数值模拟方面的丰硕成果。他们提了出一种高效率、具有O(N)计算性能的并行分子动力学数值模拟方案,构建了从晶体生成、计算到显示的分子动力学(MD)模拟系统。利用该系统对纳米晶体进行了拉伸大变形和压痕等问题进行了并行分子动力学的大规模数值模拟,已经实现对1000万个原子的系统进行数百万步的分子动力学模拟,揭示了材料中不同缺陷的演变机制。其方法在计算上具有空间和时间上的巨大优势,由此得到了十分重要的科学结果,例如,他指出缺陷在初始时刻有利于形成共面位错环。另外,他还报道了多壁碳纳米管中许多奇异的力学现象。薛其坤院士以“量子效应导致的奇异薄膜效应”为题,从一维方势阱问题这一简单量子力学模型出发,对在半导体衬底上生长的金属铅薄膜所具有的奇特性能进行了详细介绍。其研究组在宏观尺度上,成功制备出原子级平整的薄膜材料。他们观察到了金属铅薄膜厚度变化所引起的量子振荡现象,证明了量子效应会显著改变材料的性能,这对未来的纳电子器件和半导体产业具有非常重要的意义。两位教授对前沿科学充满激情、深入浅出的阐述给每一位与会者以强烈的震撼。
参加本次活动的28位青年科学家来自力学(13人)、物理(7人)、化学(3人)、材料(2人)、生物(1)、信息(1)、机械(1)等七个学科领域。其中有2位中国科学院院士、11位“国家杰出青年基金”获得者、6位“长江学者”特聘教授、4位入选“中科院百人计划” ;年龄40岁以上16位,35岁以下8位。
在为期两天的紧张会议期间,各位青年代表分别就纳尺度材料与结构、纳米/分子电子器件与机电系统、生物与仿生工程、蛋白质结构与功能等领域中最新的科学发现和技术进步做了报告并引起热烈的讨论。此外,来自南京航空航天大学的近百位青年学生饶有兴趣递旁听了两天的研讨,并提了很多有趣的问题。与会代表从多学科角度,对纳米材料和结构、纳功能器件和生物系统中关键物理力学问题、未来各学科的发展趋势以及开展合作研究等共同感兴趣的问题进行了深入讨论。会议期间各位代表还参观了南京航空航天大学纳米科学研究所。
参加论坛的代表一致认为:
1.信息技术、生物技术和新材料技术作为国家科技发展的重大领域,它们的研究发展都已经深入纳米尺度和分子层次。但随着时空尺寸的减小,力学变形、机械运动、物理及生化环境的变化将与纳尺度物质的局域场强烈耦合,各传统学科间的界限变弱,传统的一些学科壁垒逐渐被突破,以量子力学、牛顿力学和热力学为共同基础的物理力学交叉学科成为纳尺度科学和技术发展的基础。
2.纳尺度物质局域场与外场的多场耦合效应使纳米材料和结构所具有的丰富多彩的特异性能将为新型纳功能器件的设计和发展提供新的物理力学原理,这将为纳米相关学科领域的发展和技术进步提供更加广阔的空间。
3.在纳米尺度,各学科间的界限已逐渐模糊和软化,利用各种新奇的机械、物理、生化特性和机电磁光的多场耦合效应将是未来设计制造纳器件和系统的重要方向。而单一的知识和研究手段已很难适应纳米科技发展的需要,将力学、物理、材料、化学和生物等学科知识和研究方法结合起来,在多学科交叉和融合的基础上开展探索和创新已成为必然趋势。开展纳尺度或分子物理力学研究将是未来学科发展的重要方向。
一致建议:
1.加强交叉学科研究。为推动我国纳米科技和基础科研能力的进一步发展和提升,可将物理、力学、材料、化学和生物等多学科领域的优势力量联合起来,共同申请和承担国家重大项目以及国家自然科学基金的重大重点项目。希望国家有关部委和机构设置一些多学科协同和多技术融合的科研项目,促进我国纳米科技的发展和进步。
2.加强实验、理论和计算模拟相结合的研究。针对重要的共性科学前沿问题、关键技术问题和新器件原理,开展多学科交叉的研究与探索。从材料结构物性研究向利用纳尺度物质的多场耦合特性和新物理力学原理来设计新型纳功能器件和系统的方向发展。
3.将“纳尺度或分子物理力学”论坛办成系列活动。
与以往青年科学家论坛有所不同,在主办和协办单位的精心组织和安排下,本次活动在容纳130多人的会堂举行,两天论坛座无虚席,约百位南航本科生和研究生旁听了本次会议。青年科学家们的精彩报告在这些学生中引起了热烈反响,许多学生在会后表示这次会议让他们经历了一次科学的洗礼,青年科学家们出色的研究成果、精彩的报告和热烈讨论、饱满的热情让他们备受鼓舞,对我们国家科技的发展鼓足了信心,同时也激励他们未来在科学研究领域去开创自己的事业。
论坛详细情况和学术讨论汇总见附件。
致谢:感谢中国科协学会部、开云棋牌官方 和南京航空航天大学的支持,南航李佳玲女士、陈志慧女士、唐淳博士生为本次论坛做了大量的秘书工作;郭宇锋博士、佘崇明博士、姜云鹏博士、马少杰、李海军、台国安、赵军华、孙晋美、姜燕、张助华、戴意涛、周斌博士生以及南航纳米所的多位研究生承担了论坛期间的会务工作。感谢各方面专家的建议和支持,感谢所有参会代表和精彩的报告。
附件1:学术报告和讨论情况汇总
分类,各代表发言主题:
纳尺度物质结构的奇异物性:
清华大学薛其坤院士做了题为“量子效应导致的金属铅薄膜的奇异性能的研究”的报告。薛院士对一维方势阱问题以及通过低温生长方式在半导体衬底上生成金属铅薄膜所具有的奇特性能进行了详细介绍。其研究组在宏观尺度上,成功制备出原子级平整的薄膜材料,这应该纳米材料制备方面的一个重要进展。他们发现金属铅薄膜的量子尺寸效应会使导致新颖的电子性质和物理性质。通过制备超平整纳米薄膜,他们发现了与厚度相关的量子阱态并且在费米面处电子的态密度会产生振荡。他们的工作说明量子效应会显著改变物质的性能,这对未来的纳电子器件和半导体产业具有非常重要的意义。
清华大学的雒建斌教授的报告题为“外电场下纳米润滑的特性和气泡现象”。他们通过对纳米薄膜施加电场来研究纳米薄膜的润滑特性和膜厚变化,发现外加电场会使薄膜间的摩擦力升高,膜厚也随电场减小,而在液体中则有气泡出现。气泡持续时间在非极性液体中较短,气泡的尺寸较大,而在极性液体中持续时间较长,气泡的尺寸也较小,另外其他载荷和接触角等也对气泡现象也有影响。他们认为这主要是由于电场强度在界面处有很大的降低,使温度场升高,而极性液体电场强度在相变处有很大变化,并且气泡引起的界面力增大,产生振荡,同时压力使沸点变化有利于气泡产生。
中国科学院物理研究所孙庆丰研究员做了题为“电流通过纳米电子器件的发热规律研究”的报告。指出纳尺度的通电高发热现象已是阻碍当今半导体电子器件进一步发展的主要因素。然后他介绍了近期来对纳体系的一些通电发热研究成果:包括给出了一条具有普遍性、能应用于量子纳系统的通电发热公式。从这公式中提出一个零能耗的条件。应用这公式,研究了直流和交流电压作用下的导线-量子点-导线体系的发热特性。发现一阈值电压,当电压小于阈值电压时,热产生量是0;在固定电压时,热产生量不正比于电流等一些新的量子发热现象。并提出了降低发热的一些方法。
中国科学院金属研究所王绍青研究员作了题为“固体材料热力学性质的第一原理计算研究”的报告。王研究员首先介绍了固体热动力学的基本概念,指出熵的构成包括振动熵和构形熵两部分。因为振动熵与声子振动频率直接相关,而自由能也与熵有依赖关系,所以他们的研究主要通过声子的频率来反映晶体的热动力学性质。他还介绍了基于密度泛函理论的线性响应函数方法。利用此方法他们计算了晶体结构的稳定性和热膨胀行为。他们发现如果材料的声子谱有部分为负值,则表明该结构不稳定,会有相变出现。AlAs声子谱的声学支在压缩下发生软化现象,导致该相在低温下显示负的热膨胀行为。他们采用密度泛函扰动理论成功计算分析了纤维矿硫化锌的各向异性热膨胀性质。在采用第一原理方法研究合金析出热动力学问题方面,他们通过线性响应函数计算研究了铝铜合金的时效硬化现象。在原子尺度上提出了铝铜合金时效硬化的热动力学机理。
南京航空航天大学施大宁教授报告了“原子尺度金属纳米线的新奇结构和电子性质”的研究。他指出了由于在纳尺度金属线存在量子效应、结构效应、和表面效应等因素,使得金属纳米线的结构和电子性质变得更复杂。他们用第一原理数值计算和经验势相结合的方法,对一些金属纳米线的稳定结构进行研究。发现当纳米线的直径很小时,金属纳米线呈螺旋型结构更稳定。并研究了螺旋纳米线和通常晶体结构纳米线的电子性质和它们的量子电导等。
南京航空航天大学理学院颜晓红教授的报告题为“Effects of radial strain on the desorption of hydrogen from the surface of palladium-doped carbon nanotubes”。 颜教授使用第一原理的方法研究了碳纳米管在钯掺杂的情况下,径向的应力对碳纳米管表面氢脱附的影响。他发现通过钯掺杂碳纳米管的储氢量将显著增加,这是因为碳纳米管在钯参杂后一部分具有化学吸附能力的C-H键强度将减弱,但这却有利于氢的再脱附,从而使得碳纳米管储氢的效率大大增加。另外,他还介绍了小管径碳纳米管的径向呼吸模态以及GaN纳米管的结构。在热输运方面,他们发现多壁碳纳米管层间的耦合作用对最外层的热导有显著影响。
纳尺度物理力学理论与实验研究:
南京航空航天大学郭万林教授的报告题为“纳尺度物理力学的一些进展”。报告主要介绍了他们在纳尺度物理力学领域的研究成果和最新进展。他们通过对石墨层和碳纳米管在高压下诱致的sp2~sp3 键转变的研究,发现了石墨层结构相变和碳纳米管屈曲变形的机制和原理,并指出高压物理力学研究的必要性。在纳功能驱动研究方面,他们发现碳纳米管高达10%的巨电致伸缩现象并且电致伸缩会显著改变碳纳米管的物理力学性质,而这对新型纳智能材料和纳智能系统的发展有重要作用。在多壁碳纳米管手性研究中,发现多壁碳纳米管的各层手性在低温生长条件下具有明显的能量优化规律,这为制备可控手性的多壁碳纳米管提出了可行的途径和方法。他们还研究了碳纳米管在外加电场中的极化规律和场诱导定向生长机制以及新型纳米材料在多场耦合条件下的自组装规律和机制。通过对纳米氧化物的物理力学性能研究,发现低维氧化锌纳米结构具有显著的压电效应。他们提出了利用基于新型纳米材料的物理力学原理来设计和制造纳功能器件和开展纳尺度物理力学研究的重要性。这些研究工作也为纳智能材料向纳功能器件和系统发展提供了科学思想和理论基础。他还介绍了目前他们研究组在纳电子器件、生物材料和功能蛋白结构与离子通道等领域的新进展。
天津大学亢一澜教授报告题为“采用微拉曼光谱技术对微结构中残余应力的实验分析”。亢教授利用微拉曼光谱技术研究了多孔硅结构中残余应力的分布,他们发现多孔硅结构腐蚀区残余应力大,未腐蚀区残余应力小,并且裂纹的尖端残余应力大。而横截面残余应力则体现为表面松弛,在增大至界面部位开始下降,直到进入硅基底。接着她深入分析了多孔硅微结构残余应力的组成和产生的机理,他们认为导致多孔硅微结构残余应力的内在原因有晶格错配因素(晶格膨胀导致应力),外在原因有毛细力、孔中液体蒸发导致的氧化作用、范德华力、静水压力等。他们的研究不仅给出了多孔硅结构制备过程中出现龟裂破坏的力学机理,而且为工程中实现通过改进工艺流程和条件来实现大幅降低残余应力提供了基础性依据。
中国科学院白雪冬研究员做了题为“纳米结构的操纵和原位高分辨力学测量”的报告。他首先介绍STM和TEM各自的特点,然后利用两者的优势互补来构件了STM-TEM联合设备,从而极大地改善了表征和操纵的能力。并利用该设备测定了各种纳米线和纳米弹簧的机电性质和弹性性质,他们发现WO3纳米线的杨氏模量具有明显的尺寸效应、BN纳米管的I-V曲线随弯曲变形发生了明显的变化,并且通过对BN纳米管的I-V曲线加减电压下的比较,检测到了BN纳米管的压电性。STM-TEM联合设备将在未来的纳米操纵中具有重要作用。
上海交通大学孙洁林副教授报告的题目为“基于原子力显微镜技术研究单个柔软分子的径向力学性质”,他介绍了如何利用原子力显微镜来进行单分子力学性质的测量研究。通过使用扫描激发力显微镜来测量DNA的直径和弹性模量,他们发现DNA 分子在云母衬底的直径(径向高度)分布在0.6-0.8纳米的范围内。不同区域的DNA压弹性不同,衬底对测量影响小,而DNA弹性模量在小力区与人体软骨模量相当,在大力区与皮革的模量相似。他们的研究有助于建立单个柔软分子径向力学性质的定量化测量方法,同时有助于理解柔软分子之间相互作用的机制,这为单分子力学研究的生物医学应用提供有价值的重要信息。
南京航空航天大学的郭宇锋博士以“碳纳米管内高压诱导的结构相变”为题介绍了单壁碳纳米管在纳米管压力容器中的结构相变和自组装现象,他们发现随着管内压力的升高,单壁碳纳米管的结构会被破坏,并转变成多层的管状纳米结构。由于层间的强相互作用,这种管状碳纳米结构表现出金属性。他们还对部分受限的铜纳米线在有缺陷碳纳米管内的结构相变进行了研究,发现随温度的升高,铜原子会从碳纳米管的缺陷出逃逸出来,而管内铜原子数目的减少和温度的影响使铜纳米线从初始的面心立方结构转变成了共轴的层状结构。这些研究工作为制备和设计新型的纳功能器件和系统提供了一些新思想和新原理。
纳器件原理与交叉学科研究:
中国科学院物理研究所的高鸿钧研究员报告题为:Direct Observation of Configuration and Conductance Changes in Organic Molecular Thin Films with LT-STM。他详细介绍了通过修饰针尖而得到的高精度的STM图像。由此作为工具来研究Si(111)表面的吸附问题以及分子纳米结构的自组装和物理性质。他们发现在金属表面上自组装分子纳米结构,并控制结构的变化来诱导分子器件电导的变化,可以实现材料电导的转变和高密度数据存储。高教授的研究对将来的分子电子学研究,在功能分子器件设计,应用以及合成等有重要的帮助。
北京科技大学的张跃教授和齐俊杰副教授的报告题为“准一维氧化锌纳米结构”。她介绍了氧化锌一维纳米材料及铟/锰掺杂氧化锌一维纳米材料的制备、结构及性能表征,并介绍了采用第一性原理计算掺杂对ZnO性能的影响。他们采用一种非常简单而有效的气相沉积法,在低温(400-900℃)无催化剂的条件下合成了多种形态的准一维ZnO纳米结构。在生长机理方面,提出了八面体孪晶核生长及螺旋位错诱导晶体生长机制,丰富了准一维纳米材料的基础理论。系统而深入的研究了准一维ZnO及掺杂ZnO的性能,包括光学性能、电学性能、力学性能、场发射性能、磁学性能等。齐副教授介绍了掺杂后的氧化锌性能变化,发现并解释了In 掺杂导致ZnO 纳米材料光致发光谱中绿光发射峰的消失及紫外发射峰蓝移现象。他们还发现一维ZnO 纳米材料具有良好的场发射性能,并且In 掺杂能进一步提高ZnO 纳米线的场发射性能;Zn1-xMnxO 纳米线在温度为55K 时具有磁性奇异峰现象等。另外他们还利用这些独特的准一维结构构筑了纳米尺度原理性器件。这些研究为纳米氧化锌的应用提供了一些新的科学原理。
南京大学胡征教授的报告题“为碳纳米管及III族氮化物一维纳米材料的生长、结构和场发射性能研究”。他首先用实验的方法探索了碳纳米管的六圆环生长机制,即通过表面扩散在催化剂上形成碳纳米管。由此进一步探索出了CNx纳米管的生长机制,即通过表面扩散和体相扩散的协同作用来生成CNx碳纳米管。胡教授接着介绍了场发射材料,并发现氮化铝纳米管具有优异的场发射性质。他们还合成并表征了一系列新型III族氮化物一维纳米材料,为进一步优化、发展出这一类具有优良特性的全新场发射材料提供了希望。
北京科技大学材料物理与化学系姜勇教授的报告题为“电流诱导磁化翻转行为的实验研究”。在报告中,他介绍自旋极化电流能引起纳尺度的铁磁膜的磁化方向翻转现象。指出如果把这种技术应用到磁随机存储器,可以极大的降低写电流,从而大幅度提高存储密度。在他们的最近实验中,他们研究了交换偏置自旋阀纳米柱中的电流诱导磁化翻转行为,发现在纳米柱和顶电极之间插入一极薄钌层可以大大的降低磁矩翻转所需的临界电流密度等一些具有直接应用前景的成果。
北京大学的张锦教授在报告“单壁碳纳米管的形变与拉曼光谱”中生动地介绍了各种形态碳纳米管的制备方法以及在碳纳米管中如何引入变形和如何检测形变。他们发现通过改变生长温度可以调节碳纳米管管径,并且不同基底也可得到不同手性和管径的碳纳米管。而通过对碳纳米管变形和应力分布的控制可以调节碳纳米管的电子结构,从而进一步调节碳纳米管的导电性。这样也能有效地从实验上来研究碳纳米管的机电性质,即如何通过SPM操纵和基底诱导等方法对单壁碳纳米管施加可控的形变。他们还研究了形变对单壁碳纳米管各种振动模式的影响。
南京航空航天大学张海黔教授作了题为“基于量子隧道效应的压力触觉传感器的报告”。张教授首先从触觉神经出发,介绍了触觉感受器分类、工作原理、以及重要性。他们利用化学合成的方法制备并组装了一些面积不同的传感器。这些传感器装置中的薄膜是由介电膜分开的,而介电膜是利用自组装方法得到的金纳米颗粒与半导体CdS纳米粒子层所构成的。他们发现在一定外电压作用下,如果给膜施加压力,由于层间的电子隧道效应会产生与压力成正比的电流,这为制备新型的高灵敏度的压力触觉传感器提供了一种新的途径。
纳尺度力学方法与理论:
浙江大学校长杨卫院士在题为“Revealing defect revolution nanostructure”的报告中,介绍了其研究组近年来在微纳米尺度数值模拟方面的丰硕成果。他们提了出一种高效率、具有O(N)计算性能的并行分子动力学数值模拟方案,构建了从晶体生成、计算到显示的分子动力学(MD)模拟系统。利用该系统对纳米晶体进行了拉伸大变形和压痕等问题进行了并行分子动力学的大规模数值模拟,已经实现对1000万个原子的系统进行数百万步的分子动力学模拟,揭示了材料中不同缺陷的演变过程。该方法在计算和模拟时具有规模和时间上的巨大优势,因此得到了许多重要的科学发现和结果。利用这些多尺度方法,他们发现在模拟初始时刻材料的缺陷在一定条件会共面位错环。另外他们还研究了多壁碳纳米管中力学现象,发现碳纳米管的弯曲变形会导致扭转,并且越靠里层扭转角越大。根据这些结果他们提出了多壁碳纳米管作为一种转动轴承的设想,而其中同时也蕴涵了许多十分有趣的纳尺度科学原理和规律。
加拿大Alberta大学的茹重庆教授做了题为“Torsion of the Central Pair MTs in Eukaryotic Flagella due to Lateral Buckling”的报告。他首先介绍了细胞中的鞭毛具有9+2结构,发现其中间两根微管在细胞运动中的行为两根管出现扭曲。他从接着力学的角度来揭示了鞭毛的扭曲机理。他把两管看成弹性梁,把周围的影响视为各向异性弹性介质,把两管做屈曲分析,发现当长度大于3微米时,临界曲率与鞭毛长度无关,而当长度大于12微米时,屈曲波长与长度的关系很微弱。他指出弯曲情况下造成的侧向屈曲是鞭毛扭曲的主要机理。
清华大学的冯西桥教授报告题为“Multiscale Modeling of Carbon Nanotubes and Their Composites”。他们主要研究了碳纳米管在水中的自组装行为,采用分子动力学方法,模拟了单壁碳纳米管在水中通过共轴的自组装形成多壁碳纳米管的过程。研究结果表明,这一自组装过程是由碳管之间的范德华吸引作用驱动的,与碳管的尺寸有很大关系,而碳管的手性对其没有明显的作用;碳管周围的水分子对组装过程起阻碍作用,耗散掉了系统的绝大部分能量;同时,他们对模拟条件(温度、压强)对自组装过程的影响也进行了讨论。上述研究提出了一种自下而上的、通过自组装来加工新型纳米器件的思路。他们的分子动力学进一步发现,水可以在两个同心的碳纳米管之间形成稳定的层装结构。此外,其研究组还对可能影响碳纳米管增强复合材料有效弹性性质的各种因素进行了详细的细观力学研究,包括界面效应、弯曲效应、团聚效应等。建立了对应这些机制的螺旋状碳纳米管弯曲模型、等效夹杂团聚模型和等效界面相模型。计算结果表明,碳纳米管在基体中的弯曲与团聚效应对复合材料有效弹性模量的影响很大,弯曲和团聚程度的增加将大大降低碳纳米管复合材料的有效弹性模量。
中科院力学研究所赵亚溥研究员的报告题为“MEMS和NEMS的主要进展”。他首先介绍了国内外MEMS和NEMS的研究历程和最新进展。接着,他具体介绍MEMS和NEMS特点,认为MEMS/NEMS有很高的比表面面积,表面影响将在MEMS/NEMS的设计中起重要作用。MEMS/NEMS中面临的表面效应主要有表面应力和表面弹性,而表面能和表面张力是MEMS/NEMS主要的驱动力。另外他还介绍了微流动中边界滑移的德拜现象,由此可考虑一种表面应力的传感器,且弯矩可控可逆,而且施加电场和温度的提高都可以增加键合的强度。这些研究对微传感器的发展将起到一定的促进作用。
大连理工大学张洪武教授作了题为“最近关于计算纳米力学的一些工作”的报告。张教授主要介绍了一些纳尺度下力学行为新的计算方法。主要有范德华力参变量计算方法,基于碳纳米管力学性质预测的高阶Canchy-Bore 法则等。而传统计算方法会面临收敛性问题,并且具有较高的计算代价。张教授利用准连续的路径在连续模型中确定有限的变形,并修改Canchy-Bore 法则以应用到曲面,并根据这种方法研究了碳纳米管的力学性质和双壁碳纳米管的屈曲问题。
中国科技大学的何陵辉教授报告题为“外延纳米结构演化的三维相场数值模拟”。他指出外延纳米结构自组装过程中的三维形貌演化模拟十分困难,主要因为其间涉及到运动边界和复杂表面形貌条件下的失配应变能计算。而现有的工作基本采用有限元方法,此法在出现拓扑结构变化时需要人为判断网格的聚合或分离。而采用相场方法将能克服这一缺点,并使计算效率大大提高。他还指出弹性应变能可以借助半空间的格林函数来计算,另外他还对唯象参数的选择和影响以及算法的收敛性和稳定性进行了讨论。
西安交通大学申胜平教授在题为“基于网格MLPG法的多尺度模拟方法”的报告中,介绍了他在基于无网格局部Petrov-Galerkin法的多尺度模拟方法方面的研究工作,该方法实现了分子动力学和连续介质力学的光滑连接,兼具二者的优点, 从而达到了计算规模和模拟效率间的动态平衡。在不同的研究区域分别使用不同的研究方法,在变形剧烈区域如裂纹尖端区利用分子动力学方法,而在变形不太剧烈的区域则利用连续介质力学的方法。另外通过设计合理的边界条件可以引入分子动力学区域对连续介质区域的影响。对于模拟时间步长的选取,在分子动力学区选用短时间步长,而在连续介质区域采用较长的时间步长。他们的研究为纳米力学的发展提供了一些新的方法。
上海大学的张田忠教授的报告题为“碳纳米管力学行为模拟的杆簧模型”。他通过连续介质力学建模和分子动力学模拟相结合的跨尺度方法提出了碳纳米管的杆簧模型。发现碳纳米管具有尺寸依赖的弹性模量和泊松比,而其原因是由于不同管径碳纳米管会出现键角的变化。他从理论上预测了多壁碳纳米管屈曲模态的厚度效应,并且研究了轴向和径向拉压导致的碳纳米管屈曲。这些结果得到了分子动力学模拟的验证。他还获得了单壁碳纳米管呼吸频率的解析表达式,预测结果与已有基于量子力学计算的数值结果吻合较好。他给出的理论模型将被进一步推广到非线性情况,使其可以研究碳纳米管尺寸和手性等结构特征的影响。
清华大学的刘彬副研究员报告题为“牛顿力学和量子力学的跨学科计算”。他与合作者发展了一种新型的原子级有限元,简称AFEM。在原子模拟区域中的每一个原子就是AFEM的一个节点。而且在AFEM中,没有引入任何传统有限元的近似(如插值和连续性假设),并准确考虑了原子与原子间的多体作用势(非局部作用),因此在原子模拟区域AFEM能给出与经典原子模拟方法同样的结果。但是由于AFEM与宏观传统有限元统一在一个有限元框架下,所以无需引入界面条件,并且可以统一求解,大大提高了计算计算效率。事实上,已把AFEM的单元写入ABAQUS有限元软件,可以很方便地和其他传统单元一起进行跨尺度计算。这是基于原子尺度的一种有限元方法,它尽量要避免人为造成的界面,只要将原子的位置和有限元节点位置一致,原子亦发展出有限元模型,此外局域化也是现有有限元中必须克服的。原子有限元和传统有限元一样先考虑单刚度矩阵,总刚度矩阵和总力矩阵的计算量和原子数成线性关系。它与传统有限元所不同的是,原子有限元存在多物理相互作用,不同性质要用不同的物理单元。在很多计算模拟研究中,可将传统有限元与原子有限元相结合。
中国科学院汪海英副研究员报告题为“分子—集团统计热力学方法”。她首先介绍了纳米尺度下力学行为模拟的难点。他们根据由晶格变形和粒子无规律热运动提出了粒子-振子二象法,并提出了纳尺度下的分子热力学方法。通过具体计算他们发现该方法比分子动力学快一个数量级。虽然集团统计热力学方法通过对变形较均匀的区域采用原子集团表象进行刻画,可以大大降低系统的自由度,但不能刻画原子局部不均匀变形的细节。而分子-集团耦合的方法通过对原子系统分区域采用原子表象和原子集团表象进行描述,兼具分子统计热力学和集团统计热力学方法的优势,可以快速、准确地模拟有限温度下较大尺度固体材料的准静态变形行为。
南京航空航天大学的王立峰博士的报告题为“非局部弹性理论在碳纳米管波动问题中的应用”。他利用各种梁模型、壳模型和分子动力学方法研究了波在碳纳米管中纵波及弯曲波传播的问题,对比了考虑二阶应变梯度的非局部弹性理论和考虑二阶应力梯度的非局部应力理论。发现在低频区,各种连续介质理论给出的频散关系和分子动力学的结果一致,而在高频区两种非局部弹性理论比经典连续介质理论与分子动力学模拟吻合的更好。他还归纳了在频率不是非常高时,考虑二阶应变梯度的非局部理论和考虑二阶应力梯度非局部理论一致的条件。
附件二:会议日程、摘要
大会日程安排
10月21日上午 (南航综合楼11楼会议室)
8:20-8:50 开幕式: 薛其坤院士主持南航校领导致欢迎词 执行主席致谢
8:50-9:00 全体合影
特邀报告
主持人:郭万林
时间 报告人姓名(单位) 报告题目
9:00-9:40 薛其坤(清华大学) 量子尺寸效应导致的奇异薄膜性质/Quantum size effect induced novel properties in thin films
9:40-10:10 高鸿钧(中科院物理所) 利用LT-STM直接观测有机分子薄膜构型及导电性变化/Direct Observation of Configuration and Conductance Changes in Organic Molecular Thin Films with LT-STM
10:10-10:30 中间休息
主持人:胡征,何陵辉
10:30-11:00 张锦(北京大学) 单壁碳纳米管的形变与拉曼光谱/Deformation and Raman spectrum of single-walled carbon nanotubes
11:00-11:30 孙庆丰(中科院物理所) 电流通过纳米器件的发热规律研究 /Electrical current induced heat in nano devices
11:30-12:00 白雪冬(中科院物理所) 单个纳米结构的操纵和原位高空间分辨力学测量/ Nanomanipulation and nanomeasurement by in situ transmission electron microscopy
12:00-12:30 参观南京航空航天大学纳米科学研究所
午餐、休息
10月21日下午 (南航综合楼11楼会议室)
主持人:高鸿钧,孙庆丰
14:00-14:30 胡征(南京大学) 碳纳米管及III族氮化物一维纳米材料的生长、结构和场发射性能研究/Synthesis, structure and field emission of carbon nanotubes and one dimensional Group III-nitride nano materials
14:30-15:00 茹重庆(加拿大alberta大学) 侧向屈曲导致的真核鞭毛中心双微管的扭转/Torsion of the Central Pair MTs in Eukaryotic Flagella due to Lateral Buckling
15:00-15:30 施大宁(南京航空航天大学) 原子尺度金属纳米线的新奇结构和电子性质/Atomic-sized metal nanowires: novel structures and physical properties
15:30-16:00 孙洁林(上海交通大学) 基于原子力显微镜技术研究单个柔软分子的径向力学性质/Radial Mechanical Property of Single Soft Molecule Based on AFM Technology
16:00-16:20 中间休息
主持人:茹重庆、赵亚溥
16:20-16:50 亢一澜(天津大学) 采用微拉曼光谱技术对微结构中残余应力的实验分析/ Experimental Analysis of Residual Stresses on Micro-structures Using Micro-Raman Spectroscopy
16:50-17:20 张海黔(南京航空航天大学) 基于量子隧道效应的压力触觉传感器/Quantum Tunelling Based Tactile Sensors
17:20-17:50 张田忠(上海大学) 碳纳米管力学行为模拟的杆簧模型/A rod-spring model for simulations of mechanical properties of carbon nanotubes
17:50-18:20 颜晓红(南京航空航天大学) 径向应变对鈀参杂的碳纳米管表面脱氢的影响/Effects of radial strain on the desorption of hydrogen from the surface of palladium-doped carbon nanotubes
宴会
10月22日上午 (南航综合楼11楼会议室)
主持人:薛其坤
8:00-8:40 杨卫(浙江大学) Revealing Defect Evolutions in Nanostructures
8:40-9:10 郭万林(南京航空航天大学) 纳尺度物理力学的一些进展/ Some advances in nanoscale physical mechanics
9:10-9:40 冯西桥(清华大学) 碳纳米管的跨尺度模拟及其复合材料/Multiscale Modeling of Carbon Nanotubes and Their Composites
9:40-10:00 中间休息
主持人:杨卫、冯西桥
10:00-10:30 申胜平(西安交通大学) 纳米力学中的多尺度方法/Multiscale Simulation Method in Nanomechanics
10:30-11:00 王绍青(中科院金属研究所) 固体材料热力学性质的第一原理计算研究/First principle studies on thermal properties of solid materials
11:00-11:30 雒建斌(清华大学) 外电场下纳米润滑膜的特性与气泡现象/Air bubble phenomena and properties of nano lubricated membrane under electric field
11:30-12:00 汪海英(中科院力学研究所) 分子/集团统计热力学方法Statistic thermaldynamics method for molecule/clusters
12:00-12:20 郭宇锋(南京航空航天大学) 碳纳米管内高压诱导的结构相变/High pressure induced structural transformation inside carbon nanotubes
午餐、休息
10月22日下午 (南航综合楼11楼会议室)
主持人:亢一澜,沈鸿烈
14:00-14:30 赵亚溥(中科院力学研究所) MEMS/NEMS中的几个力学问题/ Some mechanical problems in MEMS/NEMS
14:30-15:00 何陵辉(中国科学技术大学) 外延纳米结构自组装的三维相场数值模拟/Three dimensional phase field numerical simulations on self assemble of epitaxial nano structures
15:00-15:30 张洪武(大连理工大学) 计算纳米力学的几点工作介绍/Introduce of some recent work on computational nano mechanics
15:30-16:00 齐俊杰(北京科技大学) 准一维氧化锌纳米结构/Quasi-one dimensional ZnO nano structures
16:00-16:20 中间休息
主持人:雒建斌、张洪武
16:20-16:50 姜勇(北京科技大学) 纳米自旋阀结构中的自旋矩转换效应/ Spin transfer effect in spin-valve nanopillars
16:50-17:20 刘彬(清华大学) 跨尺度、跨学科计算模拟方法探索和实践/ Multi-scale and multi-physics simulation method and its applications
17:20-17:40 王立峰(南京航空航天大学) 非局部弹性理论在碳纳米管波动问题中的应用/Application of nonlocal elastic theory in wave progation of carbon nanotubes
17:40-18:20 讨论 (执行主席主持)
晚宴
“纳尺度物理力学”论坛邀请专家名单
一、特邀报告:
1、杨 卫【力学】中国科学院院士,浙江大学校长(长江学者特聘教授、国家杰出青年基金获得者、中国青年科学家奖获得者)
Tel: 010-62783014, E-mail:yw-dem@tsinghua.edu.cn
题目:
2、薛其坤【物理】中国科学院院士,清华大学教授(长江学者特聘教授、国家杰出青年基金获得者)
Tel: 010-62795618 , E-mail:qkxue@tsinghua.edu.cn/qkxue@aphy.iphy.ac.cn
题目:量子尺寸效应导致的奇异薄膜性质
二、邀请报告:
1、张 跃【材料】北京科技大学 教授,(国家杰出青年基金获得者、跨世纪优秀人才培养计划获得者,副校长)
Tel: 13501370686, E-mail:yuezhang@pgschl.ustb.edu.cn
题目:准一维氧化锌纳米结构
2、张 锦【化学】北京大学化学学院 教授(教育部跨世纪人才基金获得者)
Tel: 010-62752555, E-mail:jinzhang@pku.edu.cn
题目:单壁碳纳米管的形变与拉曼光谱
3、茹重庆【力学】加拿大Alberta大学 教授
Tel:780-492-4477 E-mail:c.ru@ualberta.ca
题目:Torsion of the Central Pair MTs in Eukaryotic Flagella due to Lateral Buckling
4、孙庆丰【物理】中科院物理所 研究员,(国学杰出青年基金获得者、中科院“百人计划”获得者)
Tel:010-82648018 E-mail:sunqf@aphy.iphy.ac.cn
题目:电流通过纳米器件的发热规律研究
5、赵亚溥【力学】中国科学院力学所,研究员,(国学杰出青年基金获得者,中科院“百人计划”获得者)
Tel: 010-62658008, E-mail:yzhao@LNM.imech.ac.cn
题目:MEMS/NEMS中的几个力学问题
6、冯西桥【力学】清华大学工程力学系 教授,(国家杰出青年基金获得者,教育部跨世纪人才基金获得者)
Tel: 010-62772934, E-mail:fengxq@tsinghua.edu.cn
题目:碳纳米管在水中的自组装与碳纳米管多尺度力学
7、张海黔【材料】南京航空航天大学 教授
Tel: 13151065837, E-mail:zhanghq@nuaa.edu.cn
题目:基于量子隧道效应的压力触觉传感器
8、孙洁林【力学】上海交通大学 副教授
Tel:021-34204874 E-mail:jlsun@sjtu.edu.cn
题目:基于原子力显微镜技术研究单个柔软分子的径向力学性质
9、雒建斌【机械】清华大学 教授,(长江学者特聘教授、国家杰出青年基金获得者,973项目首席科学家)
Tel: 010-62781385, E-mail:luojb@tsinghua.edu.cn
题目:外电场下纳米润滑膜的特性与气泡现象
10、申胜平【力学】西安交通大学 教授
Tel:13772015652 E-mail:sshen@mail.xjtu.edu.cn
题目:纳米力学中的多尺度方法
11、郭万林【力学】南京航空航天大学 教授,(长江学者特聘教授、国家杰出青年基金获得者)
Tel: 025-84895827, E-mail:wlguo@nuaa.edu.cn
题目:纳尺度物理力学的一些进展
12、汪海英【力学】中国科学院力学所 副研究员
E-mail :why@lnm.imech.ac.cn
题目:分子/集团统计热力学方法
13、白雪冬【物理】中国科学院物理所 研究员
Tel: 010-82648032, E-mail:xdbai@aphy.iphy.ac.cn
题目:单个纳米结构的操纵和原位高空间分辨力学测量
14、姜 勇【材料】北京科技大学大学 教授 (长江学者特聘教授)
Tel:13552710516 E-mail:yjiang@mater.ustb.edu.cn
题目:纳米自旋阀结构中的自旋矩转换效应
15、刘 彬【力学】清华大学 副研究员
Tel:010-62786194 E-mail:liubin@tsinghua.edu.cn
题目:跨尺度、跨学科计算模拟方法探索和实践
16、颜晓红【物理】南京航空航天大学 教授 (教育部新世纪优秀人才支持计划)
Tel:025-84892052 E-mail:xhyan@nuaa.edu.cn
题目:Effects of radial strain on the desorption of hydrogen from the surface of palladium-doped carbon nanotubes
17、亢一澜【力学】天津大学教授
Tel:022-27403610 E-mail:tju_ylkang@yahoo.com.cn
题目:采用微拉曼光谱技术对微结构中残余应力的实验分析
18、施大宁【物理】南京航空航天大学 教授,(教育部新世纪优秀人才支持计划)
Tel:025-84893367 E-mail:shi@nuaa.edu.cn
题目:Atomic-sized metal nanowires: novel structures and physical properties
19、王太宏【物理】湖南大学教授 (长江学者特聘教授,国家杰出青年基金获得者, 中科院百人计划获得者)
Tel:0731-8823407 E-mail:thwang@aphy.iphy.ac.cn
题目:基于准一维纳米材料的器件研究
20、王绍青【力学】中国科学院金属研究所 研究员
Tel:024-23971842 E-mail:sqwang@imr.ac.cn
题目:固体材料热力学性质的第一原理计算研究
21、张田忠【力学】上海大学 教授
Tel:021-56331208 E-mail:tchang@staff.shu.edu.cn
题目:碳纳米管力学行为模拟的杆簧模型
22、张洪武【力学】大连理工大学 教授 (长江学者特聘教授,国家杰出青年基金获得者)
Tel:0411-4708769 E-mail:zhanghw@dlut.edu.cn
题目:计算纳米力学的几点工作介绍
23、何陵辉【力学】中国科学技术大学 教授 (中科院百人计划)
Tel:0551-3601542 E-mail:lhhe@ustc.edu.cn
题目:外延纳米结构自组装的三维相场数值模拟
24、高鸿钧【物理】中科院物理所 研究员 (国家杰出青年基金获得者、中科院百人计划获得者)
Tel: 010-62551106 E-mail:hjgao@aphy.iphy.ac.cn
题目:Direct Observation of Configuration and Conductance Changes in Organic Molecular Thin Films with LT-STM
25、胡 征【化学】南京大学 教授 (国家杰出青年基金获得者)
Tel:025- 83686015 E-mail:zhenghu@nju.edu.cn
题目:碳纳米管及III族氮化物一维纳米材料的生长、结构和场发射性能研究
量子尺寸效应导致的奇异薄膜性质
薛其坤
清华大学物理系
中国科学院物理研究所
Email:qkxue@tsinghua.edu.cnandqkxue@aphy.iphy.ac.cn
Electron confinement by specular reflections at the surface and interface of a very thin film could lead to discrete energy levels, which is well known as quantum well states (QWSs). The quantum size effect is expected to modulate greatly the electronic structure near the Fermi level and thus the physical and chemical properties of the thin film [1]. Using low-temperature molecular beam epitaxy, we have prepared Pb ultra-thin films on Si(111) substrates with atomic-scale control of their thickness over a macroscopic area, and investigated thickness-dependent quantum size effect of electronic structure and properties of the thin films by scanning tunnelling microscopy/spectroscopy, photoemission spectroscopy and transport measurement. Oscillatory superconductivity [2, 3], thermal expansion [4], local work function, surface chemical reactivity [5] and giant magnetoresistance effect [6] have been observed when the film thickness is changed monotonically by one atomic layer at a time. In this talk, how the oscillating behavior is correlated to the formation of QWSs in the films will be discussed, and perspectives of this work will also be given.
References:
[1] T. -C. Chiang, Surf. Sci. Rep. 39, (2000) 181.
[2] Y. Guo et al., Science 306, (2004) 1915.
[3] X. Y. Bao et al., Phys. Rev. Lett. 95, (2005) 247005.
[4] Y. F. Zhang et al., Phys. Rev. Lett.95, (2005) 096802; Phys. Rev. B (in press).
[5] X. C. Ma et al., (unpublished).
[6] J. Wang et al., (unpublished).
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The work was done in collaboration with Jin-Feng Jia, Xu-Cun Ma, Qian Niu, Zi-Qiang Qiu, Weihui Duan, Shengbai Zhang, Enge Wang, Zhong-Xian Zhao, Wei-Xue Li, Xin-He Bao, Si-Cheng Wu. Final supports from NSF and MOST of China and CAS are acknowledged.
薛其坤,男,1963年12月生。
教育部长江计划特聘教授,中国科学院院士。1984年7月毕业于山东大学光学系激光物理专业,1990年7月和1994年7月在中国科学院物理研究所分别获理学硕士和博士学位(凝聚态物理专业)。1994年9月-1999年5月,分别在日本东北大学金属材料研究所和美国北卡罗来纳州立大学物理系工作。1999年9月-2005年12月任中国科学院物理研究所研究员和博士生导师、表面物理国家重点实验室主任。2005年5月至今任清华大学物理系教授。国际杂志“Surface Science”,“Nanotechnology”以及国内杂志“化学物理学报”等的编委,扫描隧道显微镜系列大会国际顾问委员会委员(2005年-2010年)。
目前主要研究领域是极低温强磁场和自旋极化扫描隧道显微学、半导体/金属纳米结构原子尺度上的控制生长和量子效应、半导体自旋电子学和量子信息学以及宽禁带半导体(ZnO/MgZnO)材料生长和光电子器件研制。和合作者共发表SCI论文共120余篇,被引用1700多次,申请专利24项。在较有影响的国际会议如美国物理学会年会(1996和2005年)、美国材料学会年会(2004年)、美国真空学会年会(2005年)、扫描隧道显微学大会(1999和2005年)、分子束外延大会(2000年)等做过40余个邀请报告。
Revealing Defect Evolutions in Nanostructures
杨卫
浙江大学
yangw@zju.edu.cn
本文讨论在以分子动力学为基础的空间与时间多尺度计算的框架下揭示纳米结构的缺陷演化。其涉及的方法包括:以MD/MPM HS为特征的空间多尺度算法和以逆参照系传播子算法(rRESPA)为特征的时间多尺度算法。其应用涉及到纳米晶体与纳米管。对纳米晶体,我们探讨了其冲击问题,发现了由裂纹导引的高速粒子流现象,还探讨了剪切作用下的F-R位错源之演化,发现了螺旋状位错环。对纳米管,我们探讨了多壁管的弯曲问题,发现了由弯曲时手性契合而引起的端部扭转现象;探讨了纳米管柱状轴承与纳米管和富勒球组成的滚珠轴承,观察了富勒球的GHz自旋;还探讨了纳米管中富勒球豆荚在高温作用下的焊熔行为。
个人简介:
杨卫,浙江大学校长,中科院院士
Direct Observation of Configuration and Conductance Changes in Organic Molecular Thin Films with LT-STM
Dongxia Shi and Hongjun Gao
Institute of Physics, Chinese Academy of Sciences, P.O. Box 603, Beijing 100080, China
Rotaxane-based molecules show electronically switchable phenomena that offer significant possibilities for use in functional molecular electronic devices. Voltage pulses applied to thin rotaxane films by scanning tunneling microscopy (STM) have been shown to induce stable conductance transitions, but so far it has not been possible to erase and rewrite the films. Furthermore, the mechanism switching remains controversial. A recent theoretical calculation predicted that the conductance transition in a single rotaxane molecule originates from the movement of the tetracationic cyclophane (CBPQT4+) group along the molecular backbone, but as yet there has been no experimental verification. In this presentation, we report direct observation of repeatable structural transitions in single rotaxane molecules, accompanied by electrical switching. In thin rotaxane films, we have written, erased, re-written and re-erased marks about 3 nm in diameter. Our results show that the switching property originates from individual molecules and correlates with changes in molecular conformation. The finding may help to optimize the design, synthesis, and applications of functional molecules for future molecular electronics.
* This work is in collaboration with M. Feng,1 L. Gao,1 Z.T. Deng,1 Z.H. Cheng,1X. Lin,1 W. Ji,1 S.X. Du,1 D.Q. Zhang,2 X.F. Guo,2 D.B. Zhu,2 L.F. Chi,3 H. Fuchs,3 1Institute of Physics, Chinese Academy of Sciences, China, 2Institute of Chemistry, Chinese Academy of Sciences, China, 3Physikalisches Institute/CeNTech, Universitaet Muenster, Germany.
准一维氧化锌纳米结构
张 跃
北京科技大学材料物理与化学系,北京市海淀区学院路30号,100083
E-mail:Yuezhang@pgschl.ustb.edu.cn;Tel: 010-62333113
摘要:通过气相沉积法,成功制备了多种形貌结构且质量优良的一维或准一维纯氧化锌或掺杂氧化锌纳米材料,这些氧化锌形貌包括典型的纳米棒、纳米带、单晶和双晶纳米线、齿状纳米结构、纳米钉、不同特征的纳米阵列、多种形貌特点的四针状纳米棒、ZnO/SiOx同轴电缆、Mn掺杂氧化锌纳米线、In掺杂氧化锌纳米线(及纳米带、纳米环、纳米盘)等。通过多种手段对制备的氧化锌纳米材料的形貌、结构、生长机理及性能进行了研究。研究揭示了四针状纳米氧化锌八面体孪晶核生长的理论模型,证实一维氧化锌纳米结构中存在螺旋位错诱导晶体生长过程,同时发现一维氧化锌纳米结构中也存在气-固生长、气-液-固生长和极性面控制生长,此外解释了纳米电缆、In 掺杂ZnO 纳米盘的生长机理;发现并解释了ZnO 纳米材料在光致发光的绿光发射峰位出现特殊峰及In 掺杂导致ZnO紫外发射峰位蓝移现象、一维ZnO 纳米材料具有良好的场发射性能以及In 掺杂提高ZnO 纳米线场发射性能现象、Zn1-xMnxO 纳米线位于55K 处的磁性奇异峰现象等;原位研究单根ZnO(In/ZnO)纳米线的力学行为,较准确地测量了ZnO 和In/ZnO 纳米线的弯曲模量,并成功测量了粘附在纳米线顶端的纳米颗粒质量。
代表论著:
1. 《Nanowires and Nanobelts: Materials, Properties and Devices》, Vol: II Chapter 8, Kluwer Publishers, 2003.
2. Junjie Qi, Yue Zhang, et al., Doping and defects in the formation of single-crystal ZnO nanodisks,Appl. Phys. Lett., in press
3. Yunhua Huang, Yue Zhang, Xuedong Bai, Jian He, Juan Liu, Xiaomei Zhang, Bicrystalline Zinc Oxide Nanocombs, Journal of nanoscience and nanotechnology, 2006, 6 (8): 2566-2570
4. Yunhua Huang, Xuedong Bai, Yue Zhang, In situ mechanical properties of individual ZnO nanowires and the mass measurement of nanoparticles, J. Phys.: Condens. Matter, 2006, 18 (15), L179-L184
5. Y.H.Huang, Y.Zhang, L.Liu, S.S.Fan, Y.Wei, J.He, Controlled Synthesis and Field Emission Properties of ZnO Nanostructures with Different Morphologies, Journal of nanoscience and nanotechnology, 2006, 6 (3): 787-790
6. Ying Dai, Yue Zhang, Yuan Qiang Bai, Zhong Lin Wang, Bicrystalline zinc oxide nanowires, Chemical Physics Letters, 375 (2003) 96–101.
7. Ying Dai, Yue Zhang, Zhong Lin Wang, The octa-twin tetraleg ZnO nanostructures, Solid State Communications, 126 (2003) 629–633.
8. Y. Dai, Y. Zhang, Q. K. Li, C.W. Nan, Synthesis and optical properties of tetrapod-like zinc oxide nanorods, Chemical Physics Letters, 358(2002): 83-86.
简历:
1982年2月-1987年9月 武汉科技大学 助教
1993年10月-1995年10月 武汉工业大学(现武汉理工大学) 博士后、副教授
1995年10月至今 北京科技大学 教授(1995年)、博士生导师(1998年)
2000年10月-2000年12月,在澳大利亚新南威尔士大学材料科学与工程学院合作研究,2001年1月-2002年2月在日本东北大学、东京大学、东京工业大学合作研究和学术访问,2002年10月-2003年4月,美国佐治亚理工学院材料科学与工程学院、纳米材料技术中心访问教授。
从事科研和教学工作以来,负责和承担了国家及省部级主要科研项目共20余项。研究方向涉及纳米材料制备及性能表征技术、纳米功能薄膜与纳米介电陶瓷、计算材料学与环境材料、断裂与环境断裂等领域。共获教育部提名国家科学技术奖自然科学奖一等奖1项、国家教育部科技进步一等奖2项及二等奖2项、冶金部科技进步二等奖2项、北京市科技进步二等奖1项,北京市教学成果一等奖1项,2003年国家自然科学杰出青年基金获得者,获1999年国家自然科学基金资助项目优秀论文鼓励(全国首次奖励31人)以及1999年教育部“跨世纪优秀人才培养计划”入选人员。近10年发表论文150余篇,其中SCI、EI收录80余篇,被他人引用300余次,单篇他人引用90余次。撰写专著3部、申请专利12项,已批准5项。
单壁碳纳米管的形变与拉曼光谱
张 锦
(北京大学化学与分子工程学院、北京大学纳米科学与技术研究中心,北京 100871) Tel&Fax: 010-6275-7157; Email:jinzhang@pku.edu.cn
碳纳米管的物理化学性质依赖于碳原子的成键特性。在单壁碳纳米管中,碳原子通过sp2杂化形成共轭大p键,从而赋予其优良的电学特性。当施加外力使其发生机械形变时,其原子轨道杂化比例将发生变化,导致其物性尤其电学性质会发生显著变化。单壁碳纳米管可以发生形变有多种,常见的有拉伸形变、扭曲形变、弯曲形变和径向形变等。
共振增强拉曼光谱是研究单壁碳纳米管结构和电子性质的有效手段,它是当入射激光或散射激光的能量与单壁碳纳米管的某个电子跃迁能(导带和价带电子态密度的每一对范霍夫奇点之间的电子跃迁能)匹配时发生的,它不仅可以给出其直径的分布,还可以研究其电子结构性质。单壁碳纳米管的拉曼光谱主要有两个特征振动模式:即位于100 cm-1-300 cm-1之间径向呼吸振动模(RBM)和位于1580 cm-1附近的切向振动模(G峰)。前者可以获得单壁碳纳米管的直径,导电类型以及初步的(n, m)归属;后者是由于石墨片层的弯曲而分裂成多个振动模,可以分析形变对单壁碳纳米管结构的影响。
如何在纳米尺度上对单壁碳纳米管施加各种可控的形变,并研究形变与性质的相关性是我们关注的核心问题。本文主要介绍如何通过SPM操纵和基底诱导等方法对单壁碳纳米管施加可控的形变,并研究形变对单壁碳纳米管各种振动模的影响。
参考文献:
[1] P.L.McEuen, PRL, 2003, 90: 156401
[2] Phaedon Avouris, PRB, 1999(60): 13824
[3] Phaedon Avouris, PRB, 1998, 58: 13870
[4] Xiaojie Duan, unpublished
电流通过纳米器件的发热规律研究
孙庆丰
通信地址:北京,中国科学院物理研究所,100080
电话:010-82648018
电子邮箱:sunqf@aphy.iphy.ac.cn
报告摘要:
We study the heat generation in a nano-device with an electric current passing through the device. For the first time, a general formula for the heat generation is derived by using the nonequilibrium Keldysh Green functions. This formula can be applied in both the linear and nonlinear transport regions, for time-dependent systems, and with multi-terminal devices. The formula is also valid when the nano-device contains various interactions. As an application of the formula, the heat generation of a lead-quantum dot-lead system is investigated. With a dc bias, there exists a threshold bias at zero temperature. For a fixed bias V, the heat generation is not proportional to the current I. Under an ac bias, the time-dependent heat generation Q(t) is studied and Q(t) is not zero even when the current I(t) is zero. These results are absent in macroscopic systems, unique to nano-structures.
个人简历:
孙庆丰,男,1970年10月生。 从1991年9月到2000年7月,在北京大学物理系攻读本科,硕士和博士。分别于1995年7月和2000年7月获得学士和博士学位。博士毕业论文被评为全国优秀博士论文。2000年11月至2003年8月在加拿大McGill大学物理系作博士后。2003年3月入选中科院百人计划,和任中科院物理所研究员,博士生导师。2003年底,获中科院“百人计划”择优支持。2005年获得国家杰出青年科学基金,和中科院物理所“科技新人奖”。发表SCI收录的论文50多篇, 其中Phys. Rev. Lett. 6篇, Phys. Rev. B 36篇,被他人SCI引用300多次。
成果简介:
1、提出一个新类型的共隧穿过程,并揭露库珀对也能直接参与多体强关联;从理论上解决了对量子点局域态密度的测量问题(已被实验实现);开创性地研究了自旋极化传导电子对Kondo效应的影响。2、设计了一个自旋池装置,该装置能对外电路输出自旋流;发现了一个稳恒的自旋流能在它的周围空间产生电场,并给出自旋流元产生电场的公式。3、此外,对介观小体系的量子输运也做了广泛地研究。对实验上观测到的几乎所有的瞬态输运结果都给出很好的理论解说。在介观正常-超导体系中,提出了不同态之间的Andreev隧穿,光子协助Andreev隧穿等新的输运机制。
代表作:
1. W. Ren, Z. Qiao, J. Wang, Q.F. Sun, H. Guo, “Universal Spin-Hall Conductance Fluctuations in two dimensions”, Phys. Rev. Lett. 97, 066603 (2006).
2. Q.F. Sun and X.C. Xie, “Definition of the spin current: The angular spin current and its Physical consequences”, Phys. Rev. B 72, 245305 (2005).
3. R. Stomp, Y. Miyahara, S. Schaer, Q.F. Sun, H. Guo, P. Grutter, S. Studenikin, P. Poole, and A. Sachrajda, “Detection of single electron charging in an individual InAs quantum dot by nonconctact atomic force microscopy”, Phys. Rev. Lett. 94, 056802 (2005).
4. Z. Jiang, Qing-feng Sun, X.C. Xie, and Y. Wang, “Do intradot electron-electron interactions induce dephasing?”, Phys. Rev. Lett. 93, 076802 (2004).
5. Qing-feng Sun, Hong Guo and Jian Wang, “A spin cell for spin current”, Phys. Rev. Lett. 90, 258301(2003).
6. Qing-feng Sun, P. Yang, and H. Guo,” Four-Terminal Thermal Conductance of Mesoscopic Dielectric Systems”, Phys. Rev. Lett. 89, 175901 (2002).
7. Qing-feng Sun, H. Guo, and Tsung-han Lin,” Excess Kondo resonance in a quantum dot device with a normal and a superconducting leads: the physics of Andreev-normal co-tunneling”, Phys. Rev. Lett. 87, 176601 (2001).
碳纳米管及III族氮化物一维纳米材料的生长、结构和场发射性能研究
胡 征
介观化学教育部重点实验室,南京大学化学化工学院,南京 210093
E-mail:zhenghu@nju.edu.cn Tel:025-83686015 Fax:025-83686251
自碳纳米管发现以来,一维纳米材料因结构新颖、性能独特、前景广阔,其相关研究和应用已成为当今最活跃的前沿领域之一。本文介绍我们在碳纳米管及III族氮化物一维纳米材料生长、结构和场发射性能研究方面的部分进展。
对碳纳米管这一重要纳米材料体系的研究人们已取得多方面的成果,但对其生长机理这一重要课题的认识仍然十分有限。由于碳纳米管的生长过程难以直接观察,至今绝大多数生长机理均是根据产物的终态或者再加上分子动力学模拟推测出来的,通常都只能解释生长过程中的特定环节和现象,尚缺乏十分有力的实验证据作支撑。由于生长机理对于碳纳米管的可控制备及应用至关重要,对其进行研究已成为当今碳纳米管相关研究中最重要的课题之一。在以苯作前驱物催化生长碳纳米管的过程中我们获得了高产率、高纯度、准定向的碳纳米管,通过设计采用热分析—质谱连用技术对碳纳米管生长的动力学过程进行原位检测,据此揭示了以表面扩散为特征的碳六元环生长机制。而在以吡啶为前驱物催化生长氮掺杂碳纳米管过程中则表现为表面扩散与体相扩散的协同作用生长机制。
III族氮化物(BN、AlN、GaN、AlGaN等)具有优良的化学稳定性、热稳定性及极小的(甚至负的)电子亲和势,能有效降低场发射阈值电压,其一维纳米结构(与碳纳米管类似)有望成为性能优异的新型场发射材料,其多元成分调变的可能性又为调变其性能提供了广阔的空间。通过拓展传统的VLS生长机制及发展新的生长方法,我们发现并表征了结构新颖、截面为六边形的角面AlN纳米管,并通过构建理论模型和计算阐明了形成角面AlN纳米管的科学依据,对于将纳米管从层状结构材料体系拓展至非层状结构材料体系有科学意义。发展了成本低、条件温和(~750°C)的催化合成AlN纳米锥准定向阵列的方法和技术,获得了性能良好、具有自主知识产权的新型场发射材料等。合成并表征了一系列新型III族氮化物一维纳米材料,为进一步优化、发展出一类具有优良特性的全新场发射材料提供了希望。
个人简历和成果简介
胡征 男,1964年4月出生于江苏苏州。南京大学物理系获学士、硕士、博士学位(81-91),南京大学化学系博士后(91-93),副教授(93-99),教授、博导(99-至今)。曾在德国卡斯卢厄研究中心、新加坡国立大学、英国剑桥大学作访问学者。近年来在碳纳米管及III族氮化物等一维纳米结构的制备、表征、性能和原理型器件研究等方面开展了较系统性的研究并取得创新成果。特别是对碳纳米管生长机理的研究,提出了以表面扩散为特征的六元环生长新机制,并通过定量化的原位实验予以验证,提供了合理的理论分析和阐述,在碳纳米管生长机制这一前沿课题上作出了贡献;在机制研究基础上把纳米管的研究从层状材料体系拓展到非层状材料体系,从传统的圆柱型截面纳米管拓展到新颖角面纳米管,还通过计算阐明了形成角面纳米管的理论依据;系统深入地研究了AlN一维纳米结构体系,包括纳米管、纳米线、纳米带、纳米锥等,发展了具有自主知识产权的制备技术,揭示了这类新材料在场发射应用方面的良好性能和广阔前景。在国际会议上作邀请报告十余次,被Coord. Chem. Rev.等国际刊物或专著邀请撰写综述,被Journal of Nanoelectronics and Optoelectronics等国际刊物聘为编委,当选为中国真空学会常务理事、中国微米纳米技术学会理事。获2005年度国家杰出青年基金资助,曾主持(含进行)“863”、国家自然科学基金等10余个国家和省部级项目。获江苏省科协青年科技奖 (1994)、中国化学会青年化学奖(1997)、江苏省科技进步二等奖(2000)、纪念博士后制度实施20周年“江苏省优秀博士后”(2005)等奖励或荣誉。现担任教育部介观化学重点实验室主任(2004-)、江苏省纳米技术重点实验室副主任。
代表作:
1. “Synthesis and characterization of faceted hexagonal aluminum nitride nanotubes” J. Am. Chem. Soc. 125 (2003)10176-10177
2. “In situ TA-MS study on the six-membered-ring-based growth of carbon nanotubes with benzene precursor” J. Am. Chem. Soc. 126(2004)1180-1183
3. “AlN nanotube: round or faceted?” J. Am. Chem. Soc. 127 (2005)7982-7983
4. “Vapor-solid growth and characterization of aluminum nitride nanocones” J. Am. Chem. Soc. 127 (2005)1318-1322
5. “Synergism of C5N-six-membered-ring and vapor-liquid-solid growth of CNx nanotubes with pyridine precursor, J. Phys. Chem. B 110(2006)16422-16427
固体材料热力学性质的第一原理计算研究
王绍青
中科院金属研究所 沈阳
密度泛函理论作为一种方便、实用的第一原理计算方法已在固体物理、量子化学和材料科学等诸多研究领域中获得广泛应用。密度泛函理论的基态计算方法特别适用于与环境温度无关和非激发态量子系统问题的研究。在温度条件下的晶格动力学行为对于研究材料的许多物理性质,例如:比热容、热膨胀、热导、金属电导和超导电性等等,具有非常重要的意义。近十余年来逐步发展并完善起来的密度泛函微扰理论为从第一原理角度出发处理这类问题提供了严格的理论基础。
我们近期采用密度泛函微扰理论框架下的响应函数计算方法对若干先进半导体材料的各向异性热膨胀、高压环境下的晶格动力学和介电行为、合金析出热动力学、晶体的弹性稳定性条件等一系列问题进行了第一原理理论计算研究。在本报告中,我们将简要介绍密度泛函微扰理论的基本原理、特点与适用范围并就我们在该领域研究工作的最新进展情况进行汇报。
Atomic-sized metal nanowires: novel structures and physical properties
Shi Da-ning(施大宁)
College of Science, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, China
Abstract
We first present a computational method which can be successfully used to search the global minimum structure of metal nanowires. This simulation scheme includes a combination of an empirical genetic algorithm with first-principles computations. Furthermore, The structural and transport properties of sodium and copper nanowires are studied using unbiased genetic algorithm search combined with local optimizations at the level of density functional theory. Two competing structural series, i.e., crystalline and helical, are obtained. Helical structures are energetically more favorable for thinner wires and crystalline structures become dominant as the diameter become larger. With increasing radius, two alternative formation mechanisms of nanowires, i.e., wall-by-wall and facet-based are observed. The quantum conductance of these nanowires is computed and a crossover from electronic shell to atomic shell is suggested.
基于原子力显微镜技术研究单个柔软分子的径向力学性质
孙洁林1 周星飞2,3 王化斌2 王春梅1 胡钧1,2
1 上海交通大学生命学院 2 中科院上海应用物理研究所
3 宁波大学理学院
摘 要
目前对柔软物质在单分子水平上的径向力学性质的研究很少有报道,我们认为这可能是因为目前常规实验技术方法的限制。我们实验室提出并发展了振动模式扫描极化力显微镜技术(VSPFM),利用这种技术,我们能够在小力区(F< 0.5 nN)测量单个生物大分子的径向力学性质(压弹性)。我们正在研究各种条件下的DNA分子压弹性,也已经报道了初步结果。我们还在尝试应用其他相关技术,如图像重构技术等对本方法继续研究和改进,并扩展应用到多种柔软物质,如IgG蛋白分子和PPV聚合物分子等。我们的研究结果一方面有助于建立单个柔软分子径向力学性质的定量化测量方法,同时有助于理解柔软分子之间相互作用的机制,从而为单分子力学研究的生物医学应用提供有价值的重要信息。
报告人简介:
孙洁林,博士,副教授。1991年毕业于武汉大学物理系应用物理专业,获理学学士学位;1994年7月毕业于中国科学院上海光学精密机械研究所,获理学硕士学位;1998年3月毕业于中国科学院上海原子核研究所,获理学博士学位;1998年5月至2000年7月,在中国科学院上海光学精密机械研究所从事博士后研究。2000年8月至今,在上海交通大学生命科学技术学院生物医学工程系工作。2002年1月至5月在美国弗吉尼亚大学医学院从事合作研究。目前主要研究方向:扫描探针显微学、纳米生物学和单细胞生物工程研究。从1994年起,主要从事以扫描探针显微镜技术为主要手段应用于表面科学的研究与发展,并作为主要研究人员参与了系列STM/AFM仪器的产业化。已经发表学术论文近30篇,专利申请10项以上。现主持国家自然科学基金项目2项,主持上海市科委专项1项等。
相关研究论文:
1) Zhou XF, Xu H, Fan CH, Sun JL, Zhang Y, Li MQ, Shen WQ, Hu J;Compression of single conjugated-polymer nanoparticles with AFM tips; CHEMISTRY LETTERS 34 (11): 1488-1489 NOV 5 2005
2) Zhou XF, An HJ, Guo YC, Sun JL, Li MQ, Hu J; Direct measurement of compression spring constant of single DNA molecule with AFM; CHINESE SCIENCE BULLETIN 50 (10): 954-957 MAY 2005
3) Zhou XF, Sun JL, An HJ, Guo YC, Fang HP, Su C, Xiao XD, Huang WH, Li MQ, Shen WQ, Hu J;Radial compression elasticity of single DNA molecules studied by vibrating scanning polarization force microscopy; PHYSICAL REVIEW E 71 (6): Art. No. 062901 Part 1, JUN 2005
4) Guo Yunchang, Zhou Xingfei, Sun Jielin, Li Minqian, Hu Jun. Height measurement of DNA molecules with lift mode AFM, Chinese Science Bulletin 2004, 49(15)1574-1577
5) Xiaojun Li, JieLin Sun, XingFei Zhou, Gang Li, Pingang He, Yuzi Fang, MinQian Li, Jun Hu;Height Measurements of dsDNA and Antibodies Adsorbed on Solid Substrates in Air by Vibrating Mode Scanning Polarization Force Microscopy,J. Vac. Sci. Technol. B, 21(3 ): 1070-1073, 2003
报告人联系方式:
邮政地址:上海市东川路800号,上海交大生命科学技术学院
邮政编码:200240
Email:jlsun@sjtu.edu.cn
电话:021-34204874(O)
采用微拉曼光谱技术对微结构中残余应力的实验分析
亢一澜
工艺技术水平是目前制约MEMS/NEMS的设计、生产和应用的核心问题,其中工艺过程中导致的残余应力则是关系微纳系统制备成品率、稳定性、可靠性以及寿命的关键环节之一。
为实现对工程应用的微纳系统元件进行质量控制,就必须掌握进而控制残余应力水平,其中利用实验手段进行测试与分析必不可少。鉴于现有的残余应力经典测试技术多数无法满足非破坏、微尺度、直接测试的需求,我们着重开发了以显微拉曼散射光谱实验技术为核心,光学衍射法和散射方法相结合的显微光力学技术。
基于该技术,我们以硅基底的多孔硅(PS)薄膜为对象,针对其工艺导致残余应力的实验分析开展了一系列的工作:一方面通过对PS表面裂纹区域、腐蚀过渡区、Si/PS界面区域进行空间分辨率高达1μm的实验测量,从而获得了各种工艺条件下获得的多孔硅薄膜结构中的残余应力分布。
与此同时,由于微纳尺度下残余应力是众多本征应力和非本征应力以及热应力的共同作用,其中包括毛细效应在内的多种“非经典力”起到了重要作用。我们定量地测量了多孔硅微结构中的毛细效应对残余应力的影响,并在实验的基础上建立了多孔微结构毛细效应的液桥模型。
基于以上实验结果我们深入分析了多孔硅微结构残余应力的组成和产生的机理,从而不仅给出了其制备过程中出现龟裂破坏的力学机理,而且为工程中实现通过改进工艺流程和条件来实现大幅降低残余应力提供了基础性依据。
亢一澜简介:博士,教授, 博士生导师, 1982年毕业于天津大学基础科学系,获学士学位,毕业留校作力学老师。1988年获固体力学专业硕士学位;1992获实验力学专业博士学位。曾在德国Wuppertal大学进行博士后科研并赴美国、加拿大进行国际科研合作。曾任天津大学力学系主任,现任天津大学校学位委员会委员、天津大学机械学院党委书记;开云棋牌官方 实验力学专业委员会主任,《固体力学学报》(Acta Mechanica Solida Sinica),《力学进展》编委,《科学通报》(Chinese Science Bulletin)《物理快报》(Chinese Physics Letter)特邀编委. 主要科研方向为力学实验测试技术与实验固体力学。
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Lei Zhenkun, Kang Yilan, Hu Ming, Qiu Yu, Xu Han, Niu Hongpan, “An Experimental Study of Residual Stress Measurements in Porous Silicon using Micro-Raman Spectroscopy” Chinese Physics Letters, 2004, 21(2): pp403-405. (SCI: 774YC)
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碳纳米管力学行为模拟的杆簧模型
张田忠
上海大学 上海市应用数学和力学研究所,上海 200072
碳纳米管由于其优异的力学性能如高弹性模量、高强度、高回弹性等而倍受力学界关注。虽然在物质尺度的两极,连续介质理论和量子理论已经十分完备,但是迄今为止,纳米尺度上尚缺乏具有普遍性的理论体系来刻画物质的力学行为。因此对于纳米力学的研究,针对问题的特性,常采取“由底而上”(Bottom Up, BU)方法或“自顶向下”(Top Down, TD)方法。由底而上方法基于量子力学理论或分子力学方法,具有较高的精度,但一般难于得到问题的解析解,因而目前较多通过用于数值模拟。自顶向下方法基于连续介质理论,很多问题可得到解析解,数值模拟也比较简单易行,但其结果往往难于顾及物质微观结构细节的影响[1]。
和量子力学理论相比,分子力学方法忽略了电子结构对系统势能的影响,从而系统势能可直接表示为系统各原子的空间坐标函数。基于分子力场参数的分子力学方法将系统势能进一步分解为与键长、键角、键扭转、键倒位、范德华力势和静电势等若干独立的部分。通过给各势能项选择合适的经验势结构,可以非常方便的解决一些较为复杂的问题。
过去分子力学方法主要被用于大分子力学性能和行为的数值模拟,本文作者及合作者最近将此方法用于碳纳米管力学性能和行为的解析研究,建立了杆簧(stick-spiral)模型[2],先后得到了非手性[2]和任意手性[3][4]碳纳米管的弹性模量和泊淞比与其分子结构参数间的显式关系,直接架起了碳纳米管宏微观力学性能之间的桥梁,揭示了纳米管弹性性能尺度依赖性产生的机理,结果特别表明连续介质力学中弹性模量、剪切模量及泊淞比间的关系对于纳米管不再成立;解析研究了单壁[5]和多壁[6]碳纳米管的屈曲,理论预测了多壁碳纳米管屈曲模态的厚度效应,结果得到了分子动力学模拟的验证[7];获得了单壁碳纳米管呼吸频率的解析表达式[8],预测结果与已有基于量子力学计算的数值结果吻合较好;模型被进一步推广到非线性情形[9],使得其可用于计算碳纳米管的应力应变曲线,以及预测极限强度、破坏应变等力学性能受纳米管尺寸、手性等结构特征的影响。
参考文献
[1] 张田忠,郭万林,纳米力学的数值模拟方法, 力学进展, 2002, 32(2): 175-188
[2] Chang T, Gao H. Size dependent elastic properties of a single-walled carbon nanotube via a molecular mechanics model. J Mech Phys Solids, 2003, 51(6): 1059-1074
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[8] Chang T. Effects of small size and chirality on the radial breathing mode of single-walled carbon nantoubes. Submitted.
[9] Geng J, Chang T. Nonlinear stick-spiral model for single-walled carbon nanotubes. Submitted.
张田忠 男,1974年生,博士,教授。
上海市青年科技启明星、陕西省科技进步二等奖(第2完成人)、西安交大优秀博士学位论文、同济大学优秀博士后、上海大学优秀青年教师获得者。主持过国家自然科学基金、上海市科委、教委等科研项目。目前在国内外重要学术刊物包括Appl Phys Lett, Phys Rev B, Carbon, J Mech Phys Solids 等发表论文20余篇, 被他引50余次。
近期主要成果:提出了预测碳纳米管力学行为的stick-spiral模型(JMPS 2003年度Top Articles排名第二);获得了碳纳米管宏观弹性性能与微观结构参数的显示关系,直接架起了不同尺度材料性能间的直接关联;获得了反映手性对碳纳米管弹性性能、临界屈曲应变、呼吸频率等影响的解析解;解析预测了多壁碳纳米管临界屈曲模式的厚度效应(被PRB审稿人评价为significant contribution);提出了仅由单根碳纳米管构造的纳米机械存储单元(被APL审稿人评价为a simple, valuable and interesting idea)。
通讯地址:上海市延长路149号上海大学力学所 (200072)
电话:021-56331208
Email:tchang@staff.shu.edu.cn
Effects of radial strain on the desorption of hydrogen from the surface of palladium-doped carbon nanotubes
Yan Xiaohong
Abstract By using the first-principles method, the authors study the strain effects on hydrogen desorption on the surface of single-walled carbon nanotubes (SWCNTs). It is found that hydrogen chemisorbed on the surface of carbon nanotubes doped with Pd can be released under large radial strain, for the desorbed hydrogen atoms are molecularly bound by Pd atoms with several tenths of an eV. The
method of desorption for the chemisorbed hydrogen can be expected to release the residual
hydrogen on the surface of SWCNTs.
纳尺度物理力学的一些进展
郭万林
南京航空航天大学纳米科学研究所,210016
wlguo@nuaa.edu.cn
纳尺度材料和结构有着异乎寻常的物理、化学、力学性能,在未来纳米器件和纳机电系统中有着无限广阔的应用前景。随着对纳材料性质研究的不断深入进展,人们发现在纳尺度局域场强烈地相互耦合,各种物理、化学智能效应往往普遍存在,因而由物理、力学、生物化学等不同学科领域的知识方法相结合的纳尺度物理力学的重要性日益显现,其作为交叉学科的前沿科学方法在对新现象、新问题的探索中不断得到发展,并不断的解决和提出新的物理力学问题。
近年来,国际国内同行在这个领域已经做了很多深入探讨,开展了很多跨尺度和交叉学科的物理力学方法,并在纳米材料和结构中发现很多有趣的物理力学现象,为新一代的纳米器件和纳机电系统的开发和工业生产革命打下了良好的基础,在此简要报告以上各方面的一些国际进展和南航纳米科学研究所基于量子力学和经典力学理论对纳米材料的有关物理力学性质进行的初步研究和一些有趣发现,以期与各位专家交流。
1) 碳纳米管生长机制和多壁碳纳米管能量优化的手性规律。
2) 碳纳米管在外加电场中的极化规律、场诱导定向生长机制和团聚与自组装机制。
3) “点石成金”——碳结构的sp2~sp3转化和碳纳米管的屈曲变形机制。
4) 智能的碳纳米管——巨电致变形、机电磁光耦合。
5) 低微ZnO纳米结构的压电效应
6) 基于新型纳米材料的纳器件物理力学原理及应用展望。
近期发表论文:
1. Wanlin Guo*, C. Zhu, T. Yu, C. Woo, B. Zhang, Y. Dai, “Formation of sp3 Bonding in Nano-indented Carbon Nanotubes and Graphite”, Phys. Rev. Lett. 93, 245502 (2004).
2. Wanlin Guo*, Y. Guo, “Giant axial electrostriction in carbon nanotubes”, Phys. Rev. Lett. 91, 115501 (2003).
3. Chun Tang, Wanlin Guo*, Yufeng Guo, Electrostrictive effect on the electronic structures of carbon nanotubes, Appl. Phys. Lett. 88,243112(2006).
4. Y. Guo, Wanlin Guo*, Self-healing properties of flaws in nanoscale materials: Effects of soft and hard molecular dynamics simulations and boundaries studied using a continuum mechanical model. Phys. Rev. B 73, 085411 (2006).
5. Chun Li, Wanlin Guo* et al. Phys. Rev. Lett. 2006(in reviewing).
6. 郭万林,唐淳,纳米枪,获批国家发明专利:200410041085.4。分子振荡器200420062131.4;纳米泵200420062132.9。
7. B. Zhang, Wanlin Guo*. Cracking diamond anvil cells by compressed nanographite sheets near the contact edge. Appl. Phys. Lett. 87, 051907(2005);
8. C. Zhu, Wanlin Guo*, T X Yu and C H Woo, Radial compression of carbon nanotubes: deformation and damage, super-elasticity and super-hardness, Nanotechnology, 16, 1035–1039(2005).
9. L. Wang, H. Hu, Wanlin Guo, Validation of the non-local elastic shell model for studying longitudinal waves in single-walled carbon nanotubes, Nanotechnology 17 (2006) 1408–1415.
10. Y. Guo, Wanlin Guo*. Mechanical and electronic properties of single-wall carbon nanotubes by QM/MD. J. Phys. D, 36:805-811, (2003).
11. T.Chang, Wanlin Guo, X.Guo, Buckling of multiwalled carbon nanotubes under axial compression and bending via a molecular mechanics model. Phys.Rev.B,72,064101 (2005).
12. Z. Chen, Y. Yang, Z. Wu, G. Luo, L. Xie, Z. Liu, S. Ma, Wanlin Guo, Electric-Field-Enhanced Assembly of Single-Walled Carbon Nanotubes on a Solid Surface, J. Phys. Chem. B,109, 5473-5477 (2005).
13. G. Y. Zhang, X. D. Bai,E. G. Wang, Y. Guo and Wanlin Guo, Monochiral Tubular Graphite Cones Controlled by Radial Layer-by-Layer Growth, Phys. Rev. B,71,113411 (2005).
14. Wanlin Guo*, Y. Guo, (2004) The Coupled Effects of Mechanical Deformation And Electronic Properties in Carbon Nanotubes, Acta Mechanica Sinica, 20, 192- 198 (2004).
15. Y. Guo, Y. Kong, Wanlin Guo, H. Gao, (2004) Structural Transition of Copper Nanowires Confined in Single-Walled carbon Nanotubes, J. Comput. Theor. Nanosci, 1, 93-98 (2004).
16. Wanlin Guo*, Y.Guo, H.Gao, Q. Zheng, W. Zhong,“Energy Dissipation in Oscillators from Multiwalled Carbon Nanotubes”, Phys. Rev. Lett. 91, 125501 (2003).
17. Wanlin Guo*, W. Zhong, Y. Dai, S. Li, Coupled Defect-Size Effects on Interlayer Friction in Multiwalled Carbon Nanotubes, Phys. Rev. B, 72, 075409 (2005).
18. Wanlin Guo*,and Huajian Gao,Optimized Bearing and Interlayer Friction in Multiwalled Carbon Nanotubes, CMES, 7, 19-34(2005).
郭万林,1960年10月生,博士,教授,博士生指导教师。1981-1991年在西北工业大学学习并获学士、固体力学硕士和博士学位。1994年至2000年任机械结构强度与振动国家重点实验室副主任,1995年至1998年曾在澳大利亚莫纳什(Monash)大学和澳国防科学技术组织专家中心工作,2002年曾做德国马普协会金属所客访教授;2003年获香港政府Croucher高级学者基金。1996年获国家杰出青年基金。1999年受聘为国家教育部“长江学者计划”特聘教授于南京航空航天大学工作,开展交叉学科前沿及其在未来空天技术中的应用研究,推动建立校纳米科技中心和高技术研究院,任纳米科学中心主任。2005年以其为学术带头人的“纳尺度物理力学”团队入选教育部创新团队计划。
主要研究领域为纳尺度和分子物理力学、纳功能器件与纳信息技术、蛋白质结构与功能、仿生材料工程等。在Phys.Rev.Lett.等学术刊物发表论文180篇; 做国际学术会议邀请报告和分会场邀请报告12次,在全国性学术会议上做邀请报告10余次。
任开云棋牌官方 理事和青年工作委员会主任委员、中国航空学会理事、中国微纳技术学会理事。
Multiscale Modeling of Carbon Nanotubes and Their Composites
Feng Xiqiao
Department of Engineering Mechanics, Tsinghua University, Beijing 100084, China
Abstract
In this seminar, I will present some theoretical analysis and numerical simulations of carbon nanotubes and their composites. First, from a series of molecular dynamics simulations, we reported a discovery that single-walled carbon nanotubes, with different diameters, lengths and chiralities, can coaxially self-assemble into multi-walled carbon nanotubes in water via spontaneous insertion of smaller tubes into larger ones. This study suggests possible bottom-up self-assembly routes for the fabrication of novel nanodevices and systems. Second, we examined the factors that influence the overall mechanical property of carbon nanotube composites, including the weak bonding between carbon nanotubes and matrix, the curviness and agglomeration of carbon nanotubes. Third, we established a hybrid continuum/micromechanics/ atomistic method theory to investigate the defect nucleation in a carbon nanotube embedded in a polymer matrix.
参考文献:
1. J. Zou, B. H. Ji, X. Q. Feng and H. Gao, Self-assembly of single-walled carbon nanotubes into multi-walled carbon nanotubes in water: molecular dynamics simulations. Nano Letters, 2006, Vol. 6, No. 3, pp. 430–434.
2. J. Zou, B. H. Ji, X. Q. Feng and H. Gao, Molecular dynamics studies of carbon-water-carbon composite nanotubes. Small, 2006, Vol. 2, No. 11, pp. 1348–1355.
3. J. Song, H. Jiang, D. L. Shi, X. Q. Feng, Y. Huang, M. F. Yu and K. C. Hwang, Stone-Wales transformation: Precursor of fracture in carbon nanotubes, International Journal of Mechanical Science, 2006, Vol. 48, No. 12, pp. 1464–1470.
4. D. L. Shi, X. Q. Feng, H. Q. Jiang, Y. Huang and K. C. Hwang, Multiscale analysis of fracture of carbon nanotubes embedded in composites, International Journal of Fracture, 2005, Vol. 134, No. 3–4, pp. 369–386.
5. D. L. Shi, X. Q. Feng, Y. Huang, K. C. Hwang and H. Gao, The effect of nanotube waviness and agglomeration on the elastic property of carbon nanotube-reinforced composites, Journal of Engineering Materials and Technology, 2004, Vol. 126, Nr. 3, pp. 250–257.
6. H. Jiang, X. Q. Feng, Y. Huang, K. C. Hwang, and P. D. Wu., Defect nucleation in carbon nanotubes under tension and torsion: Stone-Wales transformation, Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, 2004, Vol. 193, No. 31, pp. 3419–3429.
作者简介:
冯西桥,男,1968年5月生。1990年7月,1991年7月和1995年3月在清华大学工程力学系分别获得工学学士、工学硕士和工学博士学位。1997年6月清华大学核研院博士后出站,之后获洪堡奖学金,在德国Darmstadt工业大学和荷兰Delft工业大学任洪堡访问学者。1999年回国,在清华大学工程力学系任副教授,2001年任教授至今。现任清华大学生物力学与医学工程研究所所长,兼任开云棋牌官方 副秘书长、教育部高等学校力学类专业教学指导分委员会委员、期刊《Engineering Fracture Mechanics》中国地区主编、《固体力学学报》等3种期刊的编委等。
曾获得全国优秀博士学位论文作者专项基金、教育部跨世纪优秀人才基金、霍英东教育基金会高等院校青年教师研究基金、国家杰出青年科学基金等的资助。
主要研究方向为:微纳米力学、生物力学、细观损伤与断裂力学。编著和主编有图书《损伤力学》、《准脆性材料细观损伤力学》和《固体力学若干新近展》,发表论文140余篇。
Torsion of the Central Pair MTs in Eukaryotic Flagella due to Lateral Buckling
C.Q. Ru
Department of Mechanical Engineering, University of Alberta,Edmonton, Canada T6G 2G8
Email:c.ru@ualberta.ca
Abstract: Inspired by recent interest in observed bending-related torsion of the central pair microtubules (MTs) in eukaryotic flagella, a novel thin-walled elastic beam model is suggested to study what causes the central pair torsion. The model predicts that bending-driven torsion of the central pair does occur when the radius of curvature of the bent flagellum reduces to a moderate critical value typically of tens of microns. In particular, the predicted wavelengths of the torsional buckling mode are comparable to some known related experimental data. This offers an entirely new insight into the ongoing research on the mechanism of the central pair torsion.
短期回国工作日程安排 : Nanjing Univ. Aeronautics & Astronautics. Sept.20-Dec.20, 2006.
近期科研领域及相关论文
A) 微纳米尺度细胞生物力学。B)碳纳米管力学;C) 微纳米尺度MEMS/NEMS固体力学。
A) Wang, CY, Ru, CQ and Mioduchowski, A. Vibration of microtubules as orthotropic elastic shells. Physica E (35) 48-56 (2006).
Orthotropic elastic shell model for buckling of microtubules. Physical Review E (74, October 2006).
Li, C, Ru, CQ and Mioduchowski, A. Length-dependence of flexural rigidity as a result of anisotropic elastic properties of microtubules. Biochem. & Biophy. Research Communications (349) 1145-1150 (2006).
Torsion of the central pair microtubules in eukaryotic flagella due to bending-driven lateral buckling. Biochem. & Biophy. Research Communications (October 2006).
B) Ru,CQ “Elastic models for carbon nanotubes”,Vol.2, 731-744, in “Encyclopedia of Nanoscience and Nanotechnology”, American Scientific Publishers (2004).
C) Zhu, J, Ru, CQ and Mioduchowski, A. Surface forces driven instability of comb-drive microcantilevers in MEMS. J. Adhesion Sci. Tech. (20) 1125-1146 (2006).
Structural instability of a parallel array of mutually attracting identical microbeams. J。Micromech. & Microeng. (16) 2220-2229 (2006).
分子/集团统计热力学方法
汪海英
中国科学院力学研究所
纳米技术的发展要求我们准确地模拟纳米尺度材料和结构的力学行为。由于纳米尺度的材料和结构是一个包含中等数量粒子的对象,传统的单一尺度模拟方法,如连续介质力学方法和分子模拟方法,在处理这类对象时都会存在一定的困难。鉴于此,我们针对纳米材料有限温度下准静态变形的模拟,提出了基于分子间相互作用势的分子统计热力学方法、集团统计热力学方法、分子-集团统计热力学方法。分子统计热力学方法,对原子系统同时采用粒子和振子表象进行描述,基于分子间相互作用势并利用统计热力学的结果,回避了分子动力学中对分子热运动细节的刻画,可以高效地模拟纳米尺度材料在有限温度下的准静态变形行为。集团统计热力学方法通过对变形较均匀的区域采用原子集团表象进行刻画,可以大大降低系统的自由度,但不能刻画原子局部不均匀变形的细节。分子-集团耦合的方法通过对原子系统分区域采用原子表象和原子集团表象进行描述,兼具分子统计热力学和集团统计热力学方法的优势,可以快速、准确地模拟有限温度下较大尺度固体材料的准静态变形行为。
近期主要论文:
1. Haiying Wang, Yilong Bai, Mengfen Xia, and Fujiu Ke, “Microdamage evolution, energy dissipation and their trans-scale effects on macroscopic failure”, Mechanics of Materials, 38 (1-2): 57-67, 2006
2. Yilong Bai, Haiying Wang, Mengfen Xia, and Fujiu Ke, “Statistical mesomechanics of solid, linking coupled multiple space and time scales”, Applied Mechanics Review, 58: 372-388, 2005
3. Ming Hu, Haiying Wang, Mengfen Xia, Fujiu Ke, and Yilong Bai, “Nonlocality Effect in Atomic Force Microscopy Measurement and Its Reduction by Approaching Method”, ASME Transactions, Journal of Engineering Materials and Technology, 127 (4): 444-450, 2005
MEMS/NEMS中的几个力学问题
赵亚溥
中科院力学研究所
本报告一方面首先介绍物理力学中的几个重要尺度,这些尺度可能对于研究多尺度/跨尺度力学有一定参考作用。
另一方面,将介绍本课题组在基于表面应力的微生化传感器的研究方面所取得的进展,主要介绍本组刚发表在《Nanotechnology》上的工作[1]。
第三方面,将报告本课题组在MEMS/NEMS表面效应(主要是表面张力、粘附、表面松弛等)以及尺度效应方面的研究进展情况。
参考文献:
1. Ren Q, Zhao YP, Han L and Zhao HB. A nanomechanical device based on light-driven proton pumps. Nanotechnology, 17: 1778–1785 (2006).
2. He FQ and Zhao YP. Growth of ZnO nanotetrapods with hexagonal crown. Applied Physics Letters, 88: 193113 (2006).
3. Zhang Y and Zhao YP. Applicability range of Stoney's formula and modified formulae for a film/substrate bilayer. Journal of Applied Physics, 99: 053513 (2006).
4. Ren Q, Zhao YP, Yue JC and Cui YB. Biological application of multi-component nanowires in hybrid devices powered by F1-ATPase motors. Biomedical Microdevices, 8(3): 201-208 (2006).
5. Yang ZY and Zhao YP. QM/MM and classical molecular dynamics simulation of His-tagged peptide immobilization on nickel surface. Materials Science and Engineering A, 423: 84–91 (2006).
6. Guo JG and Zhao YP. The Size-Dependent Elastic Properties of nanocrystals with surface effects. Journal of Applied Physics, 98: 074306 (2005)
外延纳米结构自组装的三维相场数值模拟
何陵辉
中国科学技术大学力学和机械工程系
报告摘要:由于涉及运动边界和复杂表面形貌条件下的失配应变能计算,外延纳米结构自组装过程中的三维形貌演化模拟十分困难。已有的一些工作采用有限元方法,但在出现拓扑结构变化时需要人为判断网格的聚合或分离。我们采用相场方法克服这一缺点,并使计算效率明显提高。
基于量子隧道效应的压力触觉传感器
“Quantum Tunelling Based Tactile Sensors”
张海黔
南京航空航天大学
压力触觉传感器的研究被列为微创技术和智能机器人感知系统最需解决的问题和研究重点之一。世界各国的许多研究人员正致力于压力触觉传感器的研究。一种新类型的传感器朝着给机器人以具有人敏感触觉的手的方向迈出了第一步。该装置中的薄膜是由被介电膜分开的,利用自组装方法制备的金与半导体CdS纳米粒子层组成的。在一定电压下,给膜施加压力,由于层之间的电子隧道效应,产生与压力成正比的电流!
在透射电镜中操纵单个纳米结构并原位测量物性
白雪冬
中科院物理所
The scanning tunneling microscopy-transmission electron microscopy (STM-TEM) method has been developed to probe the novel properties of low-dimensional mateials. The in situ measurement based on STM-TEM method is powerful in a way that it can directly correlate the microstructure of the nanomaterials (or low-dimensional materials) with their physical properties for the same nanoscale sample. And the small size of the nanomaterials makes their manipulation rather difficult. The STM-TEM system provides an appropriate tool for manipulation to quantify the properties and structures of individual nanomaterials. In this presentation, I will report on the construction and applications of our home-made STM-TEM system. By using this system, the mechanical properties of the individual nano-objects, e. g. nanowires, nanobelts, and nanosprings, have been studied. The field emission properties of a single nanotube/nanowire have also been systematically studied. In addition, the STM-TEM system is a unique tool to change the structures of materials, so the interesting properties could be found.
电流诱导磁化翻转行为的实验研究
姜勇
北京科技大学材料物理与化学系 北京100083
1996年,Slonczewski 和 Berger [1] 理论预测出,当自旋极化电流穿过纳米厚度的铁磁体薄膜或自旋阀纳米柱时,由于自旋角动量的转换,电流可以在铁磁膜中产生磁激发甚至引起铁磁膜磁化方向的翻转。近年来,对这种自旋矩转换诱导磁化翻转(简称CIMS)行为的研究引起人们广泛的关注,因为CIMS技术在磁随机存储器中的使用可以大大的降低写电流能量损耗,从而大幅度提高存储密度。在本报告中,我们研究了交换偏置自旋阀纳米柱中的CIMS行为。详细的样品制备过程参见我们最近发表的一些文章 [2]。
图 1给出了两种不同结构交换偏置自旋阀纳米柱的“电流垂直于平面”巨磁电阻曲线以及电阻随外加电流变化曲线(即CIMS行为曲线)。 纳米柱的尺寸为280´90 nm2。 结构I 为 Cu (20)/IrMn (10)/Co90Fe10 (5)/Cu (6)/ Co90Fe10 (2.5)/Cu (5)/Ta (2) (厚度为纳米);结构II为 Cu (20)/IrMn (10)/Co90Fe10 (5)/Cu (6)/ Co90Fe10 (2.5)/Ru (0.45)/Cu (5)/Ta (2)。可以看出,在纳米柱与顶电极之间插入的一个极薄金属钌层可以有效的降低CIMS所需临界电流密度。 图 2 给出了另一种结构(结构III)的纳米柱的CIMS行为曲线,结构 III 为Cu (80)/Co90Fe10 (5)/Ru (6)/Co90Fe10 (2.5)/Cu (6)/ Co90Fe10 (5)/IrMn (10)/Cu (5)/Ta (2)。 该纳米柱尺寸为400´100 nm2。可以清楚地看出,零场下,CIMS所需临界电流密度分别为JP®AP = 2.3´106 A/cm2 、JAP®P = - 2´106 A/cm2 。该电流密度值远低于文献报道的赝自旋阀结构(即铁磁/铜/铁磁结构)中的临界电流密度。
参考文献
[1] J. C. Slonczewski, J. Magn. Magn. Mater. 159, L1 (1996); L. Berger, Phys. Rev. B 54, 9353 (1996).
[2] Y. Jiang et al., Nature Materials, 3, 361 (2004); Phys. Rev. Lett. 92, 167204 (2004); Appl. Phys. Lett., 86, 192515 (2005); Appl. Phys. Lett., 89, 122514 (2006).
碳纳米管内高压诱导的结构相变
郭宇锋
南京航空航天大学高新技术研究院纳米科学研究所
通过基于Tersoff-Brenner经验势的分子动力学模拟,发现单壁碳纳米管在碳纳米管压力容器中随着管内压力的升高,单壁碳纳米管的结构会被破坏,并转变成sp2和sp3杂化的多层管状纳米结构。密度泛函计算表明由半导体碳纳米管转变来的管状碳纳米结构由于层间的强相互作用表现出金属性。使用经验势的分子动力学模拟,发现部分受限的铜纳米线在有缺陷碳纳米管内随温度的升高,铜原子会从碳纳米管的缺陷出逃逸出来,而管内铜原子数目的减少和温度的影响使铜纳米线从初始的面心立方结构转变成了共轴的层状结构。
波在碳纳米管中传播的动力学问题的研究
王立峰
南京航空航天大学航空宇航学院
利用梁模型、壳模型等连续介质理论和分子动力学方法研究了波在碳纳米管中纵波及弯曲波传播的问题,对比了考虑二阶应变梯度的非局部弹性理论和考虑二阶应力梯度的非局部应力理论。发现在低频区,各种连续介质理论给出的频散关系和分子动力学的结果一致,而在高频区两种非局部弹性理论比经典连续介质理论与分子动力学模拟吻合的更好。在频率不是非常高时,考虑了二阶应变梯度的非局部理论和二阶应力梯度非局部理论一致的条件。
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