Plasticité En Cristal de Nanoscale : Monter sur la Surface

par Professeur Frederic Sansoz

Professeur Frederic Sansoz, Organisme de Recherche de Sansoz, L'Université du Vermont
Auteur Correspondant : frederic.sansoz@uvm.edu

Un matériau cristallin tel que l'or subissant un changement permanent de forme une fois chargé mécaniquement est le résultat de la plasticité en cristal. L'instruction scientifique pour la force idéale contre la déformation en plastique en cristaux a été un point focal pour la recherche pendant presque 90 années1. Les Avances dans ce domaine ont eu beaucoup d'implications technologiques importantes pour améliorer la résistance de force et de défaillance en matériaux structurels, ainsi qu'en métal formant des procédés.

Les propriétés mécaniques primaires affectées par la plasticité en cristal sont la limite d'élasticité, la ductilité de tension, qui comprend tension-tanner des phénomènes, et la dureté. Le Contrôle de la taille des caractéristiques techniques microstructurales à différentes échelles de longueur, telles que des textures et des précipités, a eu beaucoup de résultats réussis en augmentant la force en vrac les solides cristallins. Remarquablement, les expériences séminales par Brenner pendant les années 1950 ont également prouvé que la force de la micromètre-échelle, des filaments cristallins sans défaut ou des favoris déformés dans la tension pourrait être au moins un ordre de grandeur plus grand que celui de leurs homologues en vrac par l'intermédiaire de la réduction de la taille2.

Aujourd'hui, cet aspect principal est pertinent pour des applications miniaturisées telles que les systèmes micro-électromécaniques (MEMS), parce que produire les films cristallins robustes à l'échelle de longueur de sous-micromètre est essentiel afin de s'assurer que de tels dispositifs exécutent bien plus du temps. Au nanoscale, plus d'applications passionnantes se situent en reliant les matériaux faible-dimensionnels comme des nanostructures métalliques aux biomolécules et les cellules pour le traitement du cancer3. Des nanowires Métalliques peuvent être employés pour guider des rayonnements électromagnétiques ou des plasmons pour sentir les applications et le transfert des données optique de sur-puce4. Ils peuvent également gripper ensemble pour produire les structures solides complexes par manipulation mécanique5. Une compréhension précise de plasticité en métal à l'échelle réduite de longueur est de l'importance considérable pour de telles applications.

La signification des effets de taille sur les propriétés mécaniques au nanoscale a été longtemps identifiée depuis l'ère de nanotechnologie commencé [6]. L'idée que, pour des propriétés de matériaux, le monde du nanoscale n'est pas simplement une version de réduction de la macro-échelle est maintenant bien établie. En particulier, le progrès récent a affiché cela en plus de la microstructure, du jeu de surfaces une fonction clé dans la plasticité en cristal de nanoscale et de sa dépendance de taille. Dans le suivant, J'emploierai l'or comme exemple pour illustrer comment les surfaces influencent excessivement sur la plasticité et la force en cristal au nanoscale. À cet effet, il doit retrouver que l'or pur est l'un des métaux les plus mous avec une résistance à la traction maximum de l'Avion de patrouille maritime ~120.

Taille contre des Dislocations

En 2004, Uchic et autres7 a revisité la première fois les expériences classiques de Brenner en déformant en plastique des micropillars effectués à partir du fraisage de poutre (FIB) d'orienter-ion des unique-cristaux métalliques. Cet élan a prouvé que les cristaux cylindrique d'or de 245 nanomètre de diamètre ont montré une résistance à la traction de l'Avion de patrouille maritime 360, c.-à-d., trois fois la force de l'or en vrac8.

des nanostructures métalliques Bobard-usinés sont connus pour posséder la ligne de préexistence défauts, des dislocations, dues appelés à la microstructure en cristal initiale et aux dégâts extérieurs Bobard-induits. Car les dislocations sont les porteurs primaires de la plasticité en métaux, elle règne pour cette raison pour caractériser l'influence des densités de dislocation sur des stress d'écoulement plastique et des procédés fondamentaux de dislocation en cristaux de nanoscale sous la déformation.

Dans ce but, les simulations sur ordinateur antérieures de la dynamique de dislocation ont indiqué un mécanisme tannant taille-dépendant neuf assisté par les surfaces libres dans les piliers métalliques de submicrometer désignés sous le nom du tannage de Source-troncature9. Ce procédé correspond à se briser des boucles de préexistence de dislocation intersectant la surface libre pour former des sources plus courtes d'unique-bras, qui sont maintenues inactives jusqu'à ce qu'il y ait une augmentation suffisante dans le stress appliqué. Un deuxième mécanisme surface-assisté, tannant par famine de dislocation, était proposé quand les tarifs de l'évasion de dislocation sur les surfaces libres s'avèrent pour dépasser cela pour la multiplication de dislocation, si bien que la déformation en plastique devient Source-limitée10.

Taille contre des Bornes Jumelles

Les nanowires d'Or développés par des élans ascendants d'accroissement chimique mouillé ou de dépôt matériel sont type moins de 100 nanomètre de diamètre et les cristaux sans défaut. Dans la théorie, ceci leur effectue les systèmes idéaux pour approcher des forces ultra-hautes. Puisque de tels petits volumes ne peuvent pas facilement enregistrer des dislocations, la fracture est quasi-fragile et régie par la fiche de transmission en cristal localisée initiée de la surface libre11. Cependant, le jumelage se produit omniprésent pendant la cristallogénèse de nanoscale et s'avère améliorer la plasticité en cristal dans des nanowires d'or.

Le Schéma 1 affiche schématiquement différents types de microstructures jumelées observées expérimental dans des nanowires d'or de chimie mouillée. Les simulations De Grande Puissance de dynamique moléculaire ont indiqué dans le passé que l'ajout des jumeaux de nanoscale aux nanowires d'or peut agir à l'augmentation ou diminuer leur résistance à la fiche de transmission de la tension, selon le diamètre témoin et le numéro des jumeaux selon l'unité de longueur12,13.

Le Schéma 1 : Différents types de microstructures jumelées observées dans des nanowires d'or développés par chimie mouillée. (a) Nanowire circulaire Sans Défaut. (b) nanowire circulaire Périodique-Jumelé avec l'écartement de borne de jumeau de constante (TBS). (c) nanowire Périodique-Jumelé avec la morphologie de surface de zigzag faite en {111} facettes et constante TBS.

En Outre, on a observé un passage tranchant du comportement quasi-fragile au tension-tannage significatif et des stress ultra-hauts d'écoulement plastique dans les nanowires périodique-jumelés d'or pour un taux correcte de borne jumelle espaçant (TBS) au diamètre14,15. Par exemple, le Schéma 2 affiche l'instantané niveau atomique de simulation pour un nanowire périodique-jumelé d'or déformé dans la tension par fracture ductile. Dans ce cas, les effets tension-tannants significatifs dus à l'obstruction de la fiche de transmission en cristal par des bornes jumelles de préexistence ont eu lieu. Ceci a fait atteindre la résistance à la traction maximum 3,2 GPa, celui est plus de 25 fois plus grand que la résistance à la traction en vrac.

Le Schéma 2 : simulation sur ordinateur Niveau atomique de déformation en plastique et de fracture ductile dans un nanowire périodique-jumelé d'or sous la tension pure.

Taille contre la Morphologie Extérieure

Macroscopiquement, on l'admet en grande partie que les défauts extérieurs agissent de diminuer le stress exigé pour la nucléation de dislocation et ainsi la limite d'élasticité. Les simulations atomistiques Récentes, cependant, ont juste prévu une tendance opposée dans des nanowires d'or. Particulièrement, on l'a constaté que la résistance à la traction des nanowires d'or avec des morphologies complexes de zigzag se composant {de 111} facettes de surface, assimilées à cela représentée sur la Figure 1c, peut être plus de 45 fois plus grande que celle de l'or en vrac, qui correspond aux niveaux de stress proche-idéaux (5,5 GPa)16.

En Outre, d'autres simulations ont affiché une diminution excessive de sensibilité de tension-rate aux différentes températures de ces nanowires périodique-jumelés d'Au de zigzag par rapport aux nanowires sans défaut d'Au avec la coupe transversale circulaire17. Ce comportement est nettement différent de cela généralement observé en vrac les métaux cubiques face au centre comme l'or où l'introduction du nanoscale jumelle augmente de manière significative la sensibilité d'effort de fléchissement au tension-rate. La facette Extérieure dans les nanowires jumelés d'Au provoque un associé de processus fournissant nouvel avec la nucléation et le bouturage de pleines dislocations le long {de 001} systèmes de fiche de transmission de <110>, au lieu {des 111} fiches de transmission partielles commune de <112> observées en métaux cubiques face au centre. En résumé, ces simulations suggèrent que des défauts spéciaux tels que des jumeaux et des facettes de surface puissent être employés pour approcher la force idéale de l'or dans les nanowires.

Remerciement

Le Support du National Science Foundation des États-Unis (concession DMR-0747658) et les moyens d'informatique du Vermont Avancé Calculant le Centre sont avec reconnaissance reconnus.


Références

  1. Frenkel, J., kristallinischer Körper de Festigkeit de der d'und d'Elastizitätsgrenze de der de Zur Theorie. Für Physik, 1926. 37 de Zeitschrift : p. 572-609.
  2. Brenner, S.S., Accroissement et Propriétés des « Favoris ». La Science, 1958. 128(3324) : p. 569-575.
  3. Gao, J. et B. Xu, Applications des nanomaterials à l'intérieur des cellules. Nano Aujourd'hui, 2009. 4(1) : p. 37-51.
  4. Lal, S., S. Link, et la New Jersey Halas, Nano-Bloc Optique de se sentir à waveguiding. Nature Photonics, 2007. 1(11) : p. 641-648.
  5. Lu, Y., et autres, soudage à froid Des nanowires ultra-minces d'or. Nanotechnologie de Nature, 2010. 5(3) : p. 218-224.
  6. Ratner, M. et D. Ratner, Nanotechnologie : Une introduction douce à la prochaine grande idée. 2002 : Apprenti Hall. 208.
  7. Uchic, M.D., et autres, force d'influence de cotes d'Échantillon et plasticité de cristal. La Science, 2004. 305(5686) : p. 986-989.
  8. Comportement de Kim, de J.Y. et de J.R. Greer, De Tension et compressif des monocristaux d'or et de molybdène à la nano-échelle. Acta Materialia, 2009. 57(17) : p. 5245-5253.
  9. Parthasarathy, T.A., et autres, Cotisation à l'effet de taille de la limite conventionnelle d'élasticité du stochastics des longueurs de source de dislocation dans les échantillons finis. Scripta Materialia, 2007. 56(4) : p. 313-316.
  10. Greer, J.R. et W.D. Nix, piliers d'or de Nanoscale renforcés par la famine de dislocation. Révision Matérielle B, 2006. 73(24) : p. 245410.
  11. Richter, G., et autres, Force Ultra-haute Nanowhiskers Mono-cristallin Développé par Dépôt En Phase Vapeur Matériel. Lettres Nanoes, 2009. 9(8) : p. 3048-3052.
  12. Deng, C. et F. Sansoz, effort de fléchissement Taille-Dépendant dans les nanowires jumelés d'or assistés par l'émission extérieure site-particulière de dislocation. Lettres de Physique Appliquée, 2009. 95(9) : p. 091914.
  13. Deng, C. et F. Sansoz, force Répulsive de borne jumelle sur des dislocations incurvées et de son rôle sur fournir des nanowires jumelés. Scripta Materialia, 2010. 63(1) : p. 50-53.
  14. Deng, C. et F. Sansoz, différences Principales dans la plasticité des nanowires périodiquement jumelés en Au, AG, Al, Cu, Pb et Ni. Acta Materialia, 2009. 57(20) : p. 6090-6101.
  15. Deng, C. et F. Sansoz, Activant l'Écoulement Plastique et le Tannage de Travail Ultra-hauts en Or Jumelé Nanowires. Lettres Nanoes, 2009. 9(4) : p. 1517-1522.
  16. Deng, C. et F. Sansoz, Force Proche-Idéale en Or Nanowires Réalisée par le Design Microstructural. Nano d'ACS, 2009. 3(10) : p. 3001-3008.
  17. Deng, C. et F. Sansoz, Effets de jumeau et de facette de surface sur la sensibilité de tension-rate des nanowires d'or aux différentes températures. Révision Matérielle B, 2010. 81(15) : p. 155430.

Droit d'auteur AZoNano.com, Professeur Frederic Sansoz (L'Université du Vermont)

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

Last Update: 14. June 2013 04:06

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