异种金属纳米颗粒飞秒激光连接作用机理及物理性能研究-材料加工工程专业论文.docx

Classified Index: TG456.7 U.D.C: 621Dissertation for the Doctoral Degree in EngineeringRESEARCH ON MECHANISMS AND PHYSICAL PROPERTIES OF JOINING DISSIMILAR METALLIC NANOPARTICLES BY FEMTOSECOND LASERCandidate：Jiao ZhenSupervisor：Prof. He PengVice Supervisor：Prof. Zhou YunhongAcademic Degree Applied for：Doctor of EngineeringSpeciality：Materials Processing EngineeringAffiliation：School of Materials Science and EngineeringDate of Defence：December, 2014Degree-Conferring-Institution：Harbin Institute of Technology摘要纳米颗粒以其优良的性能被广泛应用于物理、化学、生物和电子领域，因 此纳米尺度的连接技术就显得尤为重要，然而纳米尺度的连接技术正处于起步 阶段，面临着巨大的挑战，还未大量应用在工业制造和批量生产中。由于连接 的对象尺度极小，连接过程中对于力、热等能量的控制需要十分的精确，才能 获得良好的纳米尺度连接接头且不对基体和其他纳米元器件的结构和性能造成 破坏。随之而来的是人们对于连接异种材料纳米颗粒的强烈需求，因为混合多 种金属元素提供了另一种改变材料性能的途径。但目前很少有报道专注于异种 金属纳米颗粒的连接。在纳米合金的研究中，目前已经有学者在试验中合成了球壳结构、混合结 构、多层壳结构的纳米合金，并且在很多领域中有着重要应用。然而，还有一 种纳米合金为子团簇分离的结构，这种纳米合金在理论上证实是可能的，但是 至今没有在实验中找到其存在的证据。而连接异种金属纳米颗粒是合成此结构 纳米合金的有效途径。为此，本文使用飞秒激光，连接异种金属纳米颗粒，首次在试验中合成了 子团簇分离的纳米合金，并分析了其纳米结构和界面形貌，解释了异种金属纳 米颗粒连接的机理，阐述了不同材料体系纳米颗粒的连接界面行为。最后，测 试了纳米合金的光学性质和表面增强拉曼光谱。在真空中使用飞秒激光烧蚀金属靶材得到纳米颗粒，调节激光功率和照射 时间控制颗粒的大小和分布密度。研究了飞秒激光与金属纳米颗粒的相互作 用，讨论了不同基板对其相互作用的影响。结果表明，硅片上的金属纳米颗粒 会沿飞秒激光电场方向发生移动，碳膜上的金属纳米颗粒会在飞秒激光作用下 部分发生脱落。此外，研究了真空度对于飞秒激光同金属作用的影响，结果表 明一定的真空度是飞秒激光诱导金属纳米颗粒连接的必要条件。使用飞秒激光连接可混溶金属纳米颗粒，首次在试验中合成了有混合界面 的子团簇分离纳米合金。试验中选取 Al-Fe 纳米颗粒为研究对象，结果发现颗 粒内部均保持晶体结构，而在界面处生成不定型结构，元素分析结果表明 Al-Fe 界面处有一定厚度的混合层，且元素分布与理论计算结果吻合良好，阐述了可 混溶金属连接的界面行为。使用飞秒激光连接了难混溶金属纳米颗粒，首次在试验中合成了无混合界 面的子团簇分离纳米合金，试验中研究了 Ag-Ni 和 Ag-Fe 两组难混溶金属纳米- I -颗粒的连接，发现了界面处的两组晶面有着特殊夹角,面心立方(200) Ag 和面心立方 (200) Ni 两 晶 面 之 间 有 着 30° 的 夹 角 ， 从 而 使 两 晶 面 间 的 失 配 度 为 1.39%，(200) Ag 和体心立方(111) Fe，两组晶面间有着 35°的夹角，使得晶面 间的失配度为 1.12%。同时在界面处发现结构台阶，可以减少体系的表面能， 揭示了难混溶金属纳米颗粒的界面特征。测试 Ag-Fe 纳米合金对可见光的吸收性能和 Ag-Au 纳米合金的表面增强拉 曼光谱，发现飞秒激光照射后，对于 Ag-Au 纳米颗粒的拉曼光谱有增强效果。关键词：纳米颗粒；飞秒激光；纳米合金；可混溶金属；难混溶金属AbstractNanoparticles have been widely used in physics, chemistry, biology and electronic areas. So joining at nanoscale is a very important technology. However, joining at nano scale is in it’s early