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KristallPlastizität Nanoscale: Steigen auf der Oberfläche

durch Professor Frederic Sansoz

Professor Frederic Sansoz, Sansoz-Forschungsgruppe, die Universität von Vermont
Entsprechender Autor: frederic.sansoz@uvm.edu

Ein kristallenes Material wie Gold, das eine permanente Änderung in der Form durchmacht, wenn es mechanisch belastet wird, ist das Ergebnis der Kristallplastizität. Die wissenschaftliche Anfrage für die ideale Stärke gegen Plastikdeformation in den Kristallen ist ein Schwerpunkt für Forschung für fast 90 Jahre gewesen1. Fortschritte auf diesem Gebiet haben viele wichtigen technologischen Auswirkungen für das Verbessern des Stärke- und Versagenwiderstands in den strukturellen Materialien sowie im Metall gehabt, das Prozesse bildet.

Die mechanischen Haupteigenschaften, die durch Kristallplastizität beeinflußt werden, sind die Streckgrenze, die dehnbare Duktilität, die die Spannung-Verhärtung von Phänomenen umfaßt, und die Härte. Regelung über der Größe von Mikrogefüge- Merkmalen an den verschiedenen Längenschuppen, wie Körnern und Niederschlägn, hat viele erfolgreichen Ergebnisse gehabt, wenn sie Stärke in den kristallenen Massenkörpern vergrößerte. Bemerkenswert haben fruchtbare Experimente durch Brenner in den fünfziger Jahren auch geprüft, dass die Stärke der Mikrometerschuppe, der fehlerfreien kristallenen Fäden oder der Bärte, die in der Spannkraft verformt wurden, mindestens eine Größenordnung sein könnte größer als die ihrer Massenkollegen über Zerkleinern2.

Heute ist dieser grundlegende Aspekt für miniaturisierte Anwendungen wie mikro-elektromechanische Anlagen passend (MEMS), weil, robuste kristallene Filme an der Untermikrometer Längenschuppe herzustellen wesentlich ist, um zu garantieren, dass solche Einheiten im Laufe der Zeit gute Leistung bringen. Am nanoscale liegen aufregendere Anwendungen, wenn sie niedrig-Maßmaterialien wie metallische nanostructures zu den Biomolekülen und Zellen für Krebstherapie anschließen3. Metallische nanowires können verwendet werden, um elektromagnetische Strahlungen oder Plasmons für das Ermittlen von Anwendungen und Aufchip von optischer Datenübertragung zu führen4. Sie können auch zusammen binden, um komplexe feste Zellen durch mechanische Manipulation zu erstellen5. Ein genaues Verständnis von Metallplastizität an verringerter Längenschuppe ist von beträchtlicher Bedeutung für solche Anwendungen.

Die Stichhaltigkeit von Größeneffekten auf mechanische Eigenschaften am nanoscale ist lang seit der Nanotechnologieära begonnen erkannt worden [6]. Die Idee, dass, für Materialeigenschaften, die Welt des nanoscale nicht einfach eine Herunterschraubungsversion der Makroskala ist, ist jetzt gut eingerichtet. Insbesondere hat neuer Fortschritt den zusätzlich zur Mikrostruktur, zum Oberflächenspiel eine Schlüsselrolle in nanoscale Kristallplastizität und zu seiner Größenabhängigkeit gezeigt. Im Folgenden verwende Ich Gold als Beispiel, um darzustellen, wie Oberflächen sich drastisch auf Kristallplastizität und Stärke am nanoscale stark auswirken. Zu diesem Zweck muss an es erinnert werden, dass reines Gold eins der weichsten Metalle mit einer maximalen Dehnfestigkeit von MPa ~120 ist.

Größe gegen Versetzungen

Im Jahre 2004 besuchte Uchic7 et al. zuerst Brenners klassische Experimente nochmals, indem er Plastik- die micropillars verformte, die vom Fokussierenionträgermahlen (FIB) von metallischen Einzelkristallen gemacht werden. Dieser Anflug hat gezeigt, dass zylinderförmige Goldkristalle von 245 nm im Durchmesser eine Dehnfestigkeit von MPa 360 d.h. dreimal die Stärke des Massengoldes aufwiesen8.

Flunkerei-maschinell bearbeitete metallische nanostructures bekannt, um bereits existierende Zeile die Defekte zu besitzen, genannt die Versetzungen, wegen der Anfangskristallmikrostruktur und des Flunkerei-induzierten Bergschadens. Da Versetzungen die Hauptträger von Plastizität in den Metallen sind, herrscht sie deshalb vor, um den Einfluss von Versetzungsdichten auf Plastikfließspannungen und von zugrunde liegenden Versetzungsprozessen in nanoscale Kristallen unter Deformation zu kennzeichnen.

Zu diesem Zweck haben letzte Computersimulationen der Versetzungsdynamik eine neue Größe-abhängige Verhärtungsvorrichtung aufgedeckt, die durch freie Oberflächen in submicrometer metallischen Säulen vermittelt wird, die als Quelleabschneiden Verhärtung gekennzeichnet sind9. Dieser Prozess entspricht dem Brechen von den bereits existierenden Versetzungsregelkreisen, welche die freie Oberfläche sich schneiden, um kürzere einarmige Quellen zu bilden, die inaktiv gehalten werden, bis es einen genügenden Anstieg im angewandten Druck gibt. Eine zweite Oberfläche-vermittelte Vorrichtung, verhärtend durch Versetzungsverhungern, wurde vorgeschlagen, wenn die Kinetik des Versetzungsentweichens an den freien Oberflächen gefunden wird, um die für Versetzungsvermehrung zu überschreiten, soweit, dass Plastikdeformation Quelle-begrenzt wird10.

Größe gegen DoppelGrenzen

Die Gold-nanowires, die durch bottom-up-Anflüge vom nassen chemischen Wachstum oder von der körperlichen Absetzung gewachsen werden, sind gewöhnlich kleiner als 100 nm im Durchmesser und in den fehlerfreien Kristallen. In der Theorie macht dieses sie ideale Anlagen für das Nähern von Ultrahochstärken. Weil solche Bändchen Versetzungen nicht leicht speichern können, ist Bruch quasi-spröde und durch den lokalisierten Kristallbeleg geregelt, der von der freien Oberfläche initialisiert wird11. Dennoch tritt das Paaren überall vorhanden während nanoscale Kristallwachstums auf und wird gefunden, um Kristall- Plastizität in den Gold-nanowires zu verbessern.

Abbildung 1 zeigt schematisch verschiedene Baumuster von den gepaarten Mikrostrukturen an, die experimentell in den Gold-nanowires von der nassen Chemie beobachtet werden. Umfangreiche Simulationen der molekularen Dynamik haben in der Vergangenheit aufgedeckt, dass der Zusatz von nanoscale Zwillingen zu den Gold-nanowires zur Zunahme oder ihren Widerstand zum Beleg der Spannkraft wirken entweder, abhängig von Beispieldurchmesser und Zahl von Zwillingen pro Gerätenlänge verringern kann12,13.

Abbildung 1: Verschiedene Baumuster von den gepaarten Mikrostrukturen beobachtet in den Gold-nanowires gewachsen durch nasse Chemie. (a) Fehlerfreies Kreis-nanowire. (b) Periodisch-Gepaartes Kreis-nanowire mit konstantem Doppelgrenzabstand (TBS). (c) Periodisch-Gepaartes nanowire mit der Zickzackoberflächenmorphologie gemacht {von 111} Facetten und von konstantem TBS.

Auch ein scharfer Übergang vom quasi-spröden Verhalten zur beträchtlichen Spannung-Verhärtung und Ultrahoch- Plastik- Fließspannungen wurden in periodisch-gepaarten Gold-nanowires für ein richtiges Verhältnis der Doppelgrenze sperrend (TBS) zum Durchmesser beobachtet14,15. Zum Beispiel zeigt Abbildung 2 den Atom-stufigen Simulationsschnappschuß für ein periodisch-gepaartes Gold-nanowire, das in der Spannkraft durch duktilen Bruch verformt wird. In diesem Fall fanden die beträchtlichen Spannung-Verhärtungseffekte wegen der Blockierung des Kristallbeleges durch bereits existierende Doppelgrenzen statt. Dieses veranlaßte die maximale Dehnfestigkeit, auf 3,2 GPa, das zu steigen ist mehr als 25mal größer als die Massendehnfestigkeit.

Abbildung 2: Atom-Stufige Computersimulation der Plastik- Deformation und des duktilen Bruchs in einem periodisch-gepaarten Gold-nanowire unter reiner Spannkraft.

Größe gegen OberflächenMorphologie

Makroskopisch wird es in großem Maße zugelassen, dass Oberflächenfehler wirken, um den Druck zu verringern, der für Versetzungskernbildung und folglich die Streckgrenze benötigt wird. Neue atomistische Simulationen jedoch haben gerade eine gegenüberliegende Tendenz in den Gold-nanowires vorausgesagt. Speziell wurde es gefunden, dass die Dehnfestigkeit von Gold-nanowires mit den komplexen Zickzackmorphologien, die bestehen {aus 111} Oberflächenfacetten, die der gezeigt wird in der Abbildung 1c ähnlich sind, mehr als 45mal als die des Massengoldes größer sein kann, das fast-idealen Druckstufen (5,5 GPa) entspricht16.

Außerdem haben andere Simulationen eine drastische Abnahme an der SpannungRateempfindlichkeit bei den verschiedenen Temperaturen an diesen periodisch-gepaarten Zickzack Au nanowires im Vergleich zu fehlerfreien Au nanowires mit Kreisquerschnitt gezeigt17. Dieses Verhalten ist zu dem markiert unterschiedlich, das im Allgemeinen in den flächenzentrierten Kubikmassenmetallen wie Gold beobachtet wird, wo Einleitung von nanoscale erhöht beträchtlich Ertragdruckempfindlichkeit auf SpannungRate paart. Das Oberflächenfacettieren in gepaarten Au nanowires verursacht ein neues einträgliches Prozeßverbundenes mit der Kernbildung und der Ausbreitung von vollen Versetzungen entlang {001} <110>-Beleganlagen, anstelle des geläufigen {111} teilweisen Beleges <112>, der in den flächenzentrierten Kubikmetallen beobachtet wird. Zusammenfassend schlagen diese Simulationen vor, dass spezielle Defekte wie Zwillinge und Oberflächenfacetten verwendet werden können, um sich der idealen Stärke des Goldes in den nanowires zu nähern.

Quittung

Halterung von der US-National Science Foundation (Bewilligung DMR-0747658) und die Computerbetriebsmittel des Vermont Fortgeschrittenen Rechenzentrums werden dankbar bestätigt.


Bezüge

  1. Frenkel, J., der Zur Theorie Elastizitätsgrenze-und der Festigkeits-kristallinischer Körper. Zeitschrift-für Physik, 1926. 37: P. 572-609.
  2. Brenner, S.S., Wachstum und Eigenschaften von „Bärten“. Science, 1958. 128(3324): P. 569-575.
  3. Gao, J. und B. Xu, Anwendungen von Nanomaterials innerhalb der Zellen. Nano-Heutiger Tag, 2009. 4(1): P. 37-51.
  4. Lal, S., S. Link und New Jersey Halas, Nano--Optik vom Ermittlen zum Waveguiding. Natur Photonics, 2007. 1(11): P. 641-648.
  5. Lu, Y. et al. Kaltschweißen von ultradünnen Gold-nanowires. Natur Nanotechnologie, 2010. 5(3): P. 218-224.
  6. Ratner, M. und D. Ratner, Nanotechnologie: Eine leichte Einleitung zur folgenden großen Idee. 2002: Lehrling Hall. 208.
  7. Uchic, M.D. et al. Beispielabmessungseinflussstärke und Kristallplastizität. Wissenschaft, 2004. 305(5686): P. 986-989.
  8. Verhalten Kims, J.Y. und J.R. Greer, Dehnbares und zusammenpressendes von Gold- und des Molybdänseinzelnen Kristallen an der Nano-schuppe. Acta Materialia, 2009. 57(17): P. 5245-5253.
  9. Parthasarathy, T.A. et al. Beitrag zum Größeneffekt der Streckgrenze vom stochastics von Versetzungsquelllängen in den begrenzten Proben. Scripta Materialia, 2007. 56(4): P. 313-316.
  10. Greer, J.R. und W.D. Nix, Nanoscale-Goldsäulen verstärkt durch Versetzungsverhungern. Körperliche Zusammenfassung B, 2006. 73(24): P. 245410.
  11. Richter, G. et al. Ultrahoch- Stärke Monokristall-Nanowhiskers Gewachsen durch Körperliches Bedampfen. Nano-Schreiben, 2009. 9(8): P. 3048-3052.
  12. Deng, C. und F. Sansoz, Größe-Abhängiger Ertragdruck in den gepaarten Gold-nanowires vermittelt durch Site-spezifische Oberflächenversetzungsemission. Angewandte Physik-Schreiben, 2009. 95(9): P. 091914.
  13. Deng, C. und F. Sansoz, Abstoßende Kraft der Doppelgrenze auf gebogenen Versetzungen und seiner Rolle auf dem Erbringen von gepaarten nanowires. Scripta Materialia, 2010. 63(1): P. 50-53.
  14. Deng, C. und F. Sansoz, Grundlegende Unterschiede bezüglich der Plastizität von regelmäßig gepaarten nanowires im Au, AG, Al, Cu, Pb und Ni. Acta Materialia, 2009. 57(20): P. 6090-6101.
  15. Deng, C. und F. Sansoz, die Hohe Plastisches Fließen-und Arbeitsverdichtung in Gepaartem Gold Nanowires Aktivierend. Nano-Schreiben, 2009. 9(4): P. 1517-1522.
  16. Deng, C. und F. Sansoz, Fast-Ideale Stärke im Gold Nanowires Erzielt durch Mikrogefüge- Auslegung. ACS Nano, 2009. 3(10): P. 3001-3008.
  17. Deng, C. und F. Sansoz, Effekte des Zwillings und der Oberflächenfacette auf SpannungRateempfindlichkeit von Gold-nanowires bei den verschiedenen Temperaturen. Körperliche Zusammenfassung B, 2010. 81(15): P. 155430.

Copyright AZoNano.com, Professor Frederic Sansoz (die Universität von Vermont)

Date Added: Dec 13, 2010 | Updated: Jun 11, 2013

Last Update: 14. June 2013 04:12

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