1.1课题背景及意义

纳米科技自90年代初开始迅速发展，并有了显著的进步，且已在微电子和光电子材料与器件、新型功能材料、高性能结构材料等战略性新兴产业领域得到广泛应用。

随着微/纳机械电子系统技术的发展，工业界对材料的性能有了更高的要求，因此人们开始开发纳米材料的潜在应用价值。纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺寸 (0.1-100 nm) 的材料或由它们作为基本单元构成的多晶体系。通常，根据材料具有纳米尺度的维数，可将其划分为：零维，即空间三维都处于纳米尺度，包括原子团簇、纳米颗粒、粉体等；一维，即空间三维中有两维处于纳米尺度，包括纳米丝、纳米管等；二维，即空间三维中只有一维处在纳米尺度，包括纳米薄膜、纳米带等；三维块体材料，即本身在空间三维都不具有纳米尺度，但构成材料的基本单元具有纳米尺度，如纳米晶体^[1]。其中，纳米薄膜因其优异的力学、光学、电磁学等性能，已成为微/纳机械电子系统的首选材料^[2]。

现今，以Cu为代表的金属材料，因其具有优良的材料属性，而成为微/纳机械电子系统中比较有前途的纳米薄膜材料。Cu价格低廉、开采简单，具有良好的韧性、耐磨性、延展性等机械性能，以及较好的导电、导热特性，因此适用于对电学特性要求较高的场合。且CuO纳米薄片在工业电解制氢、燃料电池、传感器、超级电容器等领域有着极大的潜在应用价值^[3-5]。Ahmad等人^[4]以合成的CuO纳米薄片为潜在功能材料，所制备的高灵敏度传感器，能检测丙酮、乙醇、甲醇等多种有害气体。Xia等^[5]研究制备的单相CuO纳米薄片是一种很有前途的高性能超级电容器电极材料。所以此次课题，研究不同尺寸、不同应变速率下的Cu单晶纳米薄膜的力学性能，对于社会经济发展和生态环境保护等方面都具有非常重要的意义。

1.2国内外研究现状

目前，国内外对于纳米Cu的结构及性能的研究取得了一定的成果。文玉华等^[6]利用分子动力学方法生成纳米晶粒Cu并研究了其微观结构，最终得到不同Cu晶粒尺寸对晶粒、晶界微观结构的影响。梁海弋等^[7]采用分子动力学模拟了绝对零度时三种不同边界条件下纳米Cu单晶的拉深力学性能。Ke等^[8]采用系统的透射电镜观察，研究并论证了不同的应变速率对纯Cu的晶粒细化过程和塑性变形获得的最小晶粒尺寸的影响。

其中，因为力学性能是物质的基本属性之一，所以研究纳米材料的力学性能和力学行为对于发展新型金属材料具有十分重要的意义。Yong等^[9]利用分子动力学研究了Cu纳米薄膜尺寸、速度和应变速率对其热力学性质的影响。Ming-Liang等^[10]通过分子动力学模拟，研究了纳米薄膜的厚度和表面取向对其熔融行为的影响。Xiao-Ru等人^[11]对单晶Cu纳米薄膜在剪切载荷作用下进行了分子动力学模拟，并对薄膜厚度与力学性能的关系进行了探讨。Rassoulinejad-Mousavi等^[12]研究了Cu原子间电位对预测弹性性能的作用。此外，也有众多的学者对其他金属材料 (Al、 Ni) 进行了研究。Vesselin等^[13]利用分子动力学方法研究分析了纳米Al变形中的位错过程。黄丹等^[14]应用分子动力学模拟了Ni单晶纳米薄膜受单向拉伸破坏的过程。这些研究成果，对于本课题的开展有着重要的参考价值。

由此可见，采用分子动力学方法研究Cu单晶纳米薄膜的力学性能是可行的。

2. 研究的基本内容与方案

2.1 基本内容

(1) 文献调研，查阅相关资料，了解国内外Cu单晶纳米薄膜的研究概况和发展趋势，以及本课题与社会、健康、安全、成本和环境等因素的关系。