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应力皱褶规律及大面积有序结构的实现

作　者: 鲁年鹏
导　师: 李超荣
学　校: 浙江理工大学
专　业: 应用化学
关键词: 热应力修饰图案核壳结构有序褶皱结构
分类号: TB383.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

有序结构在材料制备方面有很大的潜在应用价值,而基于大面积有序结构制备的应力自组装方法以其普遍性和实用性受到人们的广泛关注。本论文采用了两种热应力系统,即用二维平面的PDMS/Pt柔性衬底刚性薄膜系统和三维球面的Ag/SiO_x软核硬壳系统来得到大面积有序褶皱结构。通过调制热应力,我们在平面系统上得到了有边界条件限制的大面积有序褶皱结构,在三维球面上也得到了符合力学规律的褶皱花样。这些研究为材料学制备规整有序的模板提供了很好的依据。此外,在制备有序褶皱结构的过程中,我们也研究了一些相关的问题,如胶体晶体在褶皱模板上的组装,银晶体的生长和形态演变等。主要研究内容如下:1.利用热应力的方法在PDMS/Pt柔性衬底/刚性薄膜双层系统上自组装得到了大面积规整有序褶皱结构。为了研究褶皱产生的规律,通过在无表面图案修饰的PDMS上构建无规的褶皱,分别研究了褶皱的波长和振幅与薄膜的厚度和热处理温度的关系。为了得到有序褶皱结构,我们利用修饰化的图案作为边界条件,研究了其上褶皱的产生和取向情况。结果表明,这些图案的边界条件会对褶皱的产生起重要的作用。此外,图案的尺寸,距离及排布也会对褶皱的产生和取向产生一些影响。为了得到一维有序平行褶皱,我们还尝试了拉伸方法和毛细管方法,并且发现通过改变拉伸的应力和毛细管的曲率,可以得到不同波长的褶皱。2.得到这些褶皱后,我们还在其上自组装了胶体晶体。实验发现,通过调制悬浮液的浓度,具有不同维数和不同层数的胶体晶体颗粒会规则地排布在褶皱的波谷处。另外,CD盘和DVD盘是良好的模板,我们也尝试了在其上进行胶体晶体的自组装,最后得到了单粒子和双粒子排布的一维胶体晶体。3.利用热蒸发Ag₂O和SiO的方法,制备了Ag/SiO_x球状核壳结构,通过调节实验参数,得到了表面屈曲的应力褶皱。实验发现,当核壳结构的曲率较小时,一般得到类似平面系统上无规的锯齿状或鲱鱼骨状褶皱结构;而当曲率较大时,容易得到三角铺排的褶皱花样。另外,SiO_x在Ag球表面的生长方式是分型结构生长。通过增加实验样品中SiO的量,我们还得到了花状的Ag/Si/SiO_x结构。它由顶部的Ag/SiO_x核壳结构和Ag/Si/SiO_x梢状结构组成。通过研究其生长机理,有助于进一步加深对VLS和OS机理的认识。4.通过共蒸发Ag₂O和SiO或单独蒸发Ag₂O的方法,得到了银单晶和孪晶。对于单晶,得到了多面体向球晶转变过程中的各种中间体,解释了从正四面体和八面体向球体的转变机理。其中蒸发温度和SiO_x杂质效应对银晶体的形貌转变起着决定性的作用。另外,这一转变过程也是高指数面逐渐出现的过程。对于孪晶,得到了十面体和二十面体银孪晶,其中最大的银二十面体孪晶达3μm。研究发现,在气相中,多次孪晶是团簇成核,孪晶内部的内禀应力和相应缺陷的分布会对孪晶的生长起重要作用。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-10
第一章绪论  10-28
  1.1 前言  10
  1.2 平面系统PDMS 上应力自组装的研究  10-17
    1.2.1 平面系统PDMS 褶皱的研究现状  10-16
    1.2.2 在PDMS 褶皱有序结构上组装胶体晶体  16-17
  1.3 曲面系统Ag/SiO_x 核壳结构自组装的研究  17-21
    1.3.1 Ag/SiO_x 核壳结构褶皱的研究现状  17-21
    1.3.2 合成Ag/SiO_x 核壳结构过程中涉及银晶体的生长  21
  1.4 本论文选题的目的、意义及研究内容  21-24
    1.4.1 本论文选题的目的、意义  21-22
    1.4.2 本论文的研究内容  22-24
  1.5 参考文献  24-28
第二章PDMS  28-49
  2.1 引言  28
  2.2 热处理方法制备PDMS/Pt 柔性衬底/刚性薄膜双层有序褶皱结构  28-40
    2.2.1 实验过程  28-30
    2.2.2 结果与讨论  30-40
  2.3 在制备的褶皱结构上或CD 及DVD 盘上进行胶体晶体的自组装  40-44
    2.3.1 实验过程  40-41
    2.3.2 结果与讨论  41-44
  2.4 本章小结  44-45
  2.5 参考文献  45-49
第三章Ag/SiO_x核壳有序褶皱结构的制备及有关银晶体形貌的研究  49-82
  3.1 Ag/SiO_x 核壳有序皱褶结构的制备  49-55
    3.1.1 引言  49
    3.1.2 实验过程  49-50
    3.1.3 结果与讨论  50-55
  3.2 花状Ag/Si/SiO_x 结构的制备  55-59
    3.2.1 引言  55
    3.2.2 实验过程  55
    3.2.3 结果与讨论  55-59
  3.3 银晶体形貌的研究  59-74
    3.3.1 引言  59-61
    3.3.2 实验过程  61
    3.3.3 结果与讨论  61-74
      3.3.3.1 在气相中微尺寸的银晶体从多面体向球体的形态转变  61-68
      3.3.3.2 十面体和二十面体银孪晶的形成机理及形态演变过程  68-74
  3.4 本章小结  74-75
  3.5 参考文献  75-82
第四章结论  82-84
  4.1 主要结论  82-83
  4.2 后续工作展望  83-84
致谢  84-85
硕士期间发表论文及参加会议情况  85

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