Plasticidad Cristalina de Nanoscale: Levantamiento a la Superficie

por Profesor Federico Sansoz

Profesor Federico Sansoz, Grupo de Investigación de Sansoz, La Universidad de Vermont
Autor Correspondiente: frederic.sansoz@uvm.edu

Un material cristalino tal como oro que experimenta un cambio permanente en dimensión de una variable cuando está cargado mecánicamente es el resultado de la plasticidad cristalina. La pregunta científica para la fuerza ideal contra la deformación plástica en cristales ha sido un punto focal para la investigación por casi 90 años1. Los Avances en este campo han tenido muchas implicaciones tecnológicas importantes para mejorar resistencia de la fuerza y del incidente en materiales estructurales, así como en el metal que formaba procesos.

Las propiedades mecánicas primarias afectadas por la plasticidad cristalina son el límite elástico, la ductilidad de tensión, que incluye el deformación-endurecimiento de fenómenos, y el endurecimiento. El Mando sobre la talla de características microestructurales en diversas escalas de la longitud, tales como granos y precipitados, ha tenido muchos resultados acertados en aumentar fuerza en macizo cristalinos a granel. Notable, los experimentos seminales por Brenner en los años 50 también han probado que la fuerza de la micrómetro-escala, de los filamentos cristalinos sin defectos o de las barbas deformados en la tensión podría ser por lo menos un orden de magnitud mayor que el de sus contrapartes a granel vía la reducción de talla2.

Hoy, este aspecto fundamental es pertinente para las aplicaciones miniaturizadas tales como sistemas microelectromecánicos (MEMS), porque crear las películas cristalinas robustas en la escala de la longitud del sub-micrómetro es esencial para asegurarse de que tales dispositivos se realizan bastante por encima de tiempo. En el nanoscale, aplicaciones más emocionantes mienten en la interconexión de los materiales inferior-dimensionales como nanostructures metálicos a las biomoléculas y de las células para la terapia del cáncer3. Los nanowires Metálicos se pueden utilizar para conducir radiaciones electromágneticas o los plasmones para detectar aplicaciones y transferencia de datos óptica de la en-viruta4. Pueden también vincular para crear las estructuras sólidas complejas por la manipulación mecánica5. Una comprensión exacta de la plasticidad del metal en la escala reducida de la longitud es de considerable importancia para tales aplicaciones.

La significación de los efectos de talla sobre propiedades mecánicas en el nanoscale se ha reconocido de largo desde la era de la nanotecnología comenzado [6]. La idea que, para las propiedades de materiales, el mundo del nanoscale no sea simple una versión de la reducción proporcional de la macroescala es establecida ahora. Particularmente, el progreso reciente ha mostrado eso además de microestructura, de juego de las superficies un papel dominante en la plasticidad cristalina del nanoscale y de su dependencia de la talla. En el siguiente, utilizaré el oro como un ejemplo para ilustrar cómo las superficies afectan dramáticamente la plasticidad y la fuerza cristalinas en el nanoscale. Con este fin, debe ser recordado que el oro puro es uno de los metales más suaves con una resistencia a la tensión máxima de MPa ~120.

Talla comparado con Dislocaciones

En 2004, Uchic y otros7 primero revisitó los experimentos clásicos de Brenner plástico deformando los micropillars hechos de fresar del haz (FIB) del enfocar-ión de único-cristales metálicos. Esta aproximación ha mostrado que los cristales cilíndricos del oro de 245 nanómetro en diámetro exhibieron una resistencia a la tensión de MPa 360, es decir, tres veces la fuerza del oro a granel8.

los nanostructures metálicos Bola-labrados a máquina se saben para poseer la línea preexistente defectos, llamados las dislocaciones, debido a la microestructura cristalina inicial y al daño superficial Bola-inducido. Pues las dislocaciones son los portadores primarios de la plasticidad en metales, por lo tanto prevalece para caracterizar la influencia de las densidades de dislocación en tensiones del flujo plástico y de los procesos subyacentes de la dislocación en cristales del nanoscale bajo deformación.

Para ese propósito, las últimas simulaciones por ordenador de las dinámicas de la dislocación han revelado un nuevo mecanismo de endurecimiento talla-relacionado mediado por las superficies libres en los pilares metálicos del submicrometer designados el endurecimiento del fuente-truncamiento9. Este proceso corresponde a la fractura de los bucles preexistentes de la dislocación que entrecruzan la superficie libre para formar fuentes de una sola rama más cortas, que se mantienen inactivas hasta que haya una suficiente subida de la tensión aplicada. Un segundo mecanismo superficie-mediado, endureciendo por el hambre de la dislocación, fue propuesto cuando el índice de escape de la dislocación en las superficies libres se encuentra para exceder eso para la multiplicación de la dislocación, hasta el punto de la deformación plástica llegue a ser fuente-limitada10.

Talla comparado con Límites Gemelos

Los nanowires del Oro crecidos por aproximaciones ascendentes del incremento químico mojado o de la deposición física son típicamente menos de 100 nanómetro en diámetro y cristales sin defectos. En teoría, esto les hace los sistemas ideales para acercarse a fuerzas ultraaltas. Porque tales pequeños volúmenes no pueden salvar fácilmente dislocaciones, la fractura es cuasi-quebradiza y regulada por el error cristalino localizado iniciado de la superficie libre11. Sin Embargo, el aparejamiento ocurre ubicuo durante el incremento cristalino del nanoscale y se encuentra para mejorar la plasticidad cristalina en nanowires del oro.

El Cuadro 1 visualiza esquemáticamente diversos tipos de microestructuras hermanadas observadas experimental en nanowires del oro de la química mojada. Las simulaciones En Grande de la dinámica molecular han revelado en el pasado que la adición de los gemelos del nanoscale a los nanowires del oro puede actuar al aumento o disminuir su resistencia al error en la tensión, dependiendo de diámetro de la muestra y del número de gemelos por longitud de unidad12,13.

Cuadro 1: Diversos tipos de microestructuras hermanadas observadas en los nanowires del oro crecidos por química mojada. (a) Nanowire circular Sin Defecto. (b) nanowire circular Periódico-Hermanado con la separación gemela constante del límite (TBS). (c) nanowire Periódico-Hermanado con la morfología de la superficie del zigzag hecha {de 111} facetas y de TBS constante.

También, una transición sostenida del comportamiento cuasi-quebradizo al deformación-endurecimiento importante y las tensiones ultraaltas del flujo plástico fueron observadas en los nanowires periódico-hermanados del oro para una relación de transformación apropiada del límite gemelo que espaciaba (TBS) al diámetro14,15. Por ejemplo, el Cuadro 2 muestra la foto de la simulación del atómico-nivel para un nanowire periódico-hermanado del oro deformado en la tensión por fractura dúctil. En este caso, los efectos de deformación-endurecimiento importantes debido al bloqueo del error cristalino por límites gemelos preexistentes ocurrieron. Esto hizo la resistencia a la tensión máxima subir a 3,2 GPa, de que es más de 25 veces más grande que la resistencia a la tensión a granel.

Cuadro 2: simulación por ordenador del Atómico-Nivel de la deformación plástica y de la fractura dúctil en un nanowire periódico-hermanado del oro bajo tensión pura.

Talla comparado con la Morfología Superficial

Macroscópico, se admite en gran parte que los defectos superficiales actúan para disminuir la tensión requerida para la nucleación de la dislocación y así el límite elástico. Las simulaciones atomísticas Recientes, sin embargo, acaban de predecir una tendencia opuesta en nanowires del oro. Específicamente, fue encontrado que la resistencia a la tensión de los nanowires del oro con las morfologías complejas del zigzag que consisten en {111} facetas de la superficie, similares a ésa mostrada en la Figura 1c, puede ser más de 45 veces más grande que la del oro a granel, que corresponde a los niveles de tensión casis ideal (5,5 GPa)16.

Además, otras simulaciones han mostrado una disminución dramática de la sensibilidad del deformación-tipo en diversas temperaturas de estos nanowires periódico-hermanados del Au del zigzag con respecto a nanowires sin defectos del Au con el corte transversal circular17. Este comportamiento es marcado diferente de ése observado generalmente en metales cúbicos superficie-centrados bulto como el oro donde la introducción de nanoscale hermana aumenta importante sensibilidad de la tensión de rendimiento al deformación-tipo. La talla Superficial en nanowires hermanados del Au da lugar a asociado de proceso de rendimiento nuevo con la nucleación y la propagación de dislocaciones completas a lo largo {de 001} sistemas de error de <110>, en vez {de los 111} errores parciales común de <112> observados en metales cúbicos superficie-centrados. En resumen, estas simulaciones sugieren que los defectos especiales tales como gemelos y facetas de la superficie se puedan utilizar para acercarse a la fuerza ideal del oro en nanowires.

Acuse De Recibo

El Soporte del National Science Foundation de los E.E.U.U. (concesión DMR-0747658) y los recursos del ordenador del Centro De Cómputo Avance Vermont agradecido se reconocen.


Referencias

  1. Frenkel, J., kristallinischer Körper de Festigkeit del der del und de Elastizitätsgrenze del der de Zur Theorie. Für Physik, 1926. 37 de Zeitschrift: p. 572-609.
  2. Brenner, S.S., Incremento y Propiedades de “Barbas”. Science, 1958. 128(3324): p. 569-575.
  3. Gao, J. y B. Xu, Aplicaciones de nanomaterials dentro de las células. Hoy Nano, 2009. 4(1): p. 37-51.
  4. Lal, S., S. Link, y New Jersey Halas, la Nano-Óptica de detectar a waveguiding. Naturaleza Photonics, 2007. 1(11): p. 641-648.
  5. Lu, Y., y otros, soldadura en frío De los nanowires ultrafinos del oro. Nanotecnología de la Naturaleza, 2010. 5(3): p. 218-224.
  6. Ratner, M. y D. Ratner, Nanotecnología: Una introducción apacible a la idea grande siguiente. 2002: Prentice Pasillo. 208.
  7. Uchic, M.D., y otros, fuerza de la influencia de las dimensiones de la Muestra y plasticidad del cristal. Ciencia, 2004. 305(5686): p. 986-989.
  8. Comportamiento de Kim, de J.Y. y de J.R. Greer, De Tensión y compresivo de los únicos cristales del oro y del molibdeno en la nano-escala. Acta Materialia, 2009. 57(17): p. 5245-5253.
  9. Parthasarathy, T.A., y otros, Contribución al efecto de talla de la fuerza de rendimiento del stochastics de las longitudes de la fuente de la dislocación en muestras finitas. Scripta Materialia, 2007. 56(4): p. 313-316.
  10. Greer, J.R. y W.D. Nix, pilares del oro de Nanoscale fortalecidos con el hambre de la dislocación. Revista Física B, 2006. 73(24): p. 245410.
  11. Richter, G., y otros, Fuerza Ultraalta Nanowhiskers Monocristalino Crecido por la Deposición de Vapor Física. Cartas Nanas, 2009. 9(8): p. 3048-3052.
  12. Deng, C. y F. Sansoz, tensión de rendimiento Talla-Relacionada en los nanowires hermanados del oro mediados por la emisión superficial sitio-específica de la dislocación. Cartas de la Física Aplicada, 2009. 95(9): p. 091914.
  13. Deng, C. y F. Sansoz, fuerza Repulsiva del límite gemelo en dislocaciones curvadas y de su papel en el rendimiento de nanowires hermanados. Scripta Materialia, 2010. 63(1): p. 50-53.
  14. Deng, C. y F. Sansoz, diferencias Fundamentales en la plasticidad de nanowires periódicamente hermanados en Au, AG, Al, Cu, Pb y Ni. Acta Materialia, 2009. 57(20): p. 6090-6101.
  15. Deng, C. y F. Sansoz, Activando Flujo Plástico y el Endurecimiento de Trabajo Ultraaltos en el Oro Hermanado Nanowires. Cartas Nanas, 2009. 9(4): p. 1517-1522.
  16. Deng, C. y F. Sansoz, Fuerza Casi ideal en el Oro Nanowires Lograda con Diseño Microestructural. ACS Nano, 2009. 3(10): p. 3001-3008.
  17. Deng, C. y F. Sansoz, Efectos del gemelo y de la faceta de la superficie sobre la sensibilidad del deformación-tipo de los nanowires del oro en diversas temperaturas. Revista Física B, 2010. 81(15): p. 155430.

Derechos De Autor AZoNano.com, Profesor Federico Sansoz (La Universidad de Vermont)

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

Last Update: 14. June 2013 04:44

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