纳米材料杨氏模量的尺度依赖性

摘要

【目的】纳米材料杨氏模量与其对应的大块材料的杨氏模量完全不同，并且具有明显的尺度依赖性，然而纳米材料杨氏模量随尺度的变化却是多样且复杂的。一些金属纳米材料杨氏模量随着尺度减小而增大，并高于块体杨氏模量值；而一些半导体纳米材料的杨氏模量却随尺度的减小而降低，且低于块体杨氏模量值。这种相反的变化趋势的原因却并不清楚。【方法】基于纳米热力学理论，以纳米材料结合能为基础，从原子势函数与材料杨氏模量的内在关系出发，引入反映材料原子键本质的参数，详细推导了纳米材料杨氏模量定量解析过程，阐述了金属、非金属等纳米材料杨氏模量值和其随尺度的变化规律；揭示了纳米材料表面模量、内部模量对体系杨氏模量的贡献，并利用材料参数阐明纳米材料杨氏模量与尺度、原子键的物理关系。【结果】所构建的理论解析模型对零维纳米颗粒、一维纳米线和二维纳米薄膜的杨氏模量都进行了成功的预测。

关键词

纳米材料 / 杨氏模量 / 尺度效应 / 热力学 / 结合能