材料的表/界面不同于体内,遵循不同的物理化学规律,可以赋予材料独特的性能。目前,随着纳米材料的发展和微电子器件尺寸的不断缩小,表/界面结构对材料和器件的性能影响将越来越显著。从微观尺度上揭示表/界面的这种重要影响以及阐明其对性能影响的相关机制是目前亟待解决的主要科学问题。本文基于原位透射电子显微学方法,以实际应用中具有重要作用的银等金属材料为例,研究了其在不同外场作用下表面及界面的结构演变对材料本身及潜在器件结构的性能影响。主要的研究内容和结果如下:1.力场作用下10纳米以下银颗粒表面结构演变的原位研究。(1)基于透射电子显微镜,发展了原位制备具有清洁表面的银纳米颗粒的实验方法。(2)在室温下,首次从原子尺度上观察到10纳米以下银颗粒的类液态变形行为,即无论在挤压、拉伸或剪切应力作用下,撤掉外力后银纳米颗粒都能基本恢复到初始形状的现象。(3)提出了基于表面扩散的Coble赝弹性理论。10纳米以下银纳米颗粒在外力作用下通过表面原子的扩散、迁移和重构来释放应力,类似于Coble蠕变,故我们把这种变形方式定义为Coble赝弹性形变。同时,借助分子动力学模拟的方法进一步证明了 Coble赝弹性主要通过表面的单原子扩散来完成,且所需时间取决于扩散激活能势垒较大的非(111)面的扩散。(4)我们的工作表明:当进入小于10纳米尺度后,表面扩散占据主导,“越小越强”的Hall-Petch强度关系σ ∝R-a ( 0.5 ≤α ≤ 1)会变成“越小越弱,”的Coble赝弹性σ ∝ Rn。2.电场作用下银/铜/镍与氧化锆界面结构演变的原位研究。(1)在电场作用下,研究了 Cu(Ag)/ZrO2/Pt结构的演变,观察到导电细丝的形成是从活泼电极(Cu或Ag)的界面处开始的,并不是如传统的电化学金属化理论所预测的“从惰性电极(Pt)的界面处开始”。反向电激励时,导电细丝的破灭是从惰性电极(Pt)的界面处先破灭,也和经典理论不同。EDX分析和电阻-温度测试都表明导电细丝是金属型的,因此Cu(Ag)/ZrO2/Pt结构的阻变属于电化学金属化型。第一性原理计算表明,Cuz+和Ag+离子很难掺杂ZrO2晶格,即使掺杂也是以间隙原子的方式(这将无法引入氧空位),因此Cuz+和Ag+掺杂ZrO2晶格形成三元导电相的可能性被排除。我们把上述反常现象的出现归因于传统的电化学金属化理论没有考虑到金属离子在固态电解质中固溶度和迁移率的巨大差异。(2)在电场作用下,研究了 Ni/ZrO2/Pt结构的演变,得到了和Cu(Ag)/ZrO2/Pt结构类似的结果。电学开启后的ZrO2薄膜中出现了多根连接着Pt和Ni电极的导电细丝。EDX分析和电阻-温度相关性测试表明导电细丝是由金属性的Ni构成。考虑到Ni和当前CMOS工艺可以很好的兼容,我们认为Ni/ZrO2/Pt结构可以为将来阻变存储器的实用化提供选择。