Plasticità Di Cristallo di Nanoscale: Salendo alla Superficie

dal Professor Frederic Sansoz

Un materiale cristallino quale oro che subisce un cambiamento permanente nella forma una volta caricato meccanicamente è il risultato di plasticità di cristallo. L'indagine scientifica per la concentrazione ideale contro deformazione di plastica in cristalli è stata un punto focale per la ricerca per quasi 90 anni¹. Gli Avanzamenti in materia hanno avuti molte implicazioni tecnologiche importanti per il miglioramento della resistenza dell'errore e di concentrazione in materiali strutturali come pure in metallo che forma i trattamenti.

I beni meccanici primari influenzati da plasticità di cristallo sono il limite elastico, la duttilità di tensione, che comprende l'sforzo-indurimento dei fenomeni e la durezza. Il Controllo sopra la dimensione delle funzionalità microstrutturali ai disgaggi differenti di lunghezza, quali i granuli ed i precipitati, ha avuto molti riusciti risultati nell'aumento della concentrazione all'ingrosso solidi cristallini. Notevolmente, gli esperimenti seminali da Brennero negli anni 50 egualmente hanno provato che la concentrazione del micrometro-disgaggio, dei filamenti cristallini senza difetti o delle basette deformi nella tensione potrebbe essere almeno un ordine di grandezza maggior di quello delle loro controparti in serie via riduzione di misura².

Oggi, questo aspetto fondamentale è pertinente per le applicazioni miniaturizzate quali i sistemi micro-elettromeccanici (MEMS), perché creare le pellicole cristalline robuste al disgaggio di lunghezza di sotto-micrometro è essenziale per assicurarsi che tali unità eseguano bene col passare del tempo. Al nanoscale, le applicazioni più emozionanti stanno nel collegamento i materiali basso dimensionali come i nanostructures metallici alle biomolecole e delle celle per la terapia del cancro³. I nanowires Metallici possono essere usati per guidare le radiazioni elettromagnetiche o i plasmon per la percezione le applicazioni e del trasferimento di dati ottico del su chip⁴. Possono anche legare insieme per creare le strutture solide complesse tramite manipolazione meccanica⁵. Una comprensione precisa della plasticità del metallo al disgaggio diminuito di lunghezza è di considerevole importanza per tali applicazioni.

Il significato degli effetti di dimensione sui beni meccanici al nanoscale lungamente è stato riconosciuto dall'era di nanotecnologia iniziato [6]. L'idea che, per i beni di materiali, il mondo del nanoscale non è semplicemente una versione di ridurre della macroscala ora è affermata. In particolare, il progresso recente ha indicato quello oltre alla microstruttura, al gioco delle superfici un ruolo chiave nella plasticità di cristallo del nanoscale ed alla sua dipendenza di dimensione. In quanto segue, userò l'oro come esempio per illustrare come le superfici urtano drammaticamente su plasticità e su concentrazione di cristallo al nanoscale. A questo scopo, deve essere ricordato che l'oro puro è uno dei metalli più molli con una resistenza alla trazione massima del MPa ~120.

Dimensione contro le Dislocazioni

Nel 2004, Uchic et al.⁷ in primo luogo ha rivisitato gli esperimenti classici di Brennero di plastica deformando i micropillars fatti da fresatura del raggio (FIB) dello mettere a fuoco-ione dei unico cristalli metallici. Questo approccio ha indicato che i cristalli cilindrici dell'oro di 245 nanometro di diametro hanno esibito una resistenza alla trazione del MPa 360, cioè, tre volte la concentrazione di oro in serie⁸.

i nanostructures metallici Mentire-lavorati sono conosciuti per possedere la riga di preesistenza difetti, chiamati le dislocazioni, dovuto la microstruttura di cristallo iniziale e dal il danno di superficie indotto Mentire. Poichè le dislocazioni sono i portafili primari di plasticità in metalli, quindi prevale per caratterizzare l'influenza delle densità di dislocazione sugli sforzi di scorrimento plastico e dei trattamenti di fondo della dislocazione nei cristalli del nanoscale nell'ambito di deformazione.

Per quello scopo, le simulazioni su elaboratore passate della dinamica della dislocazione hanno rivelato un nuovo meccanismo d'indurimento dimensione-dipendente mediato dalle superfici libere nelle colonne metalliche di submicrometer citate come indurimento di sorgente-troncamento⁹. Questo trattamento corrisponde alla rottura dei cicli di preesistenza della dislocazione che intersecano la superficie libera per formare le più brevi sorgenti a braccio unico, che sono tenute inattive finché non ci sia un aumento sufficiente nello sforzo applicato. Un secondo meccanismo superficie-mediato, indurentesi dall'inedia della dislocazione, è stato proposto quando la tariffa della fuga della dislocazione alle superfici libere è trovata per superare quella per moltiplicazione della dislocazione, nella misura in cui la deformazione di plastica è sorgente-limitata¹⁰.

Dimensione contro i Limiti Gemellati

I nanowires dell'Oro sviluppati tramite gli approcci dal basso dalla crescita chimica bagnata o dal deposito fisico sono tipicamente di meno di 100 nanometro di diametro e cristalli senza difetti. Nella teoria, questo rende loro i sistemi ideali per l'avvicinamento delle concentrazioni ultraelevate. Poiché tali piccoli volumi non possono memorizzare facilmente le dislocazioni, la frattura è quasi friabile e governata dal contratto provvisorio di cristallo localizzato iniziato dalla superficie libera¹¹. Tuttavia, gemellare si presenta onnipresente durante la crescita dei cristalli del nanoscale ed è trovato per migliorare la plasticità di cristallo nei nanowires dell'oro.

Figura 1 video schematicamente i tipi differenti di microstrutture gemellate osservate sperimentalmente nei nanowires dell'oro da chimica bagnata. Le simulazioni Su Grande Scala di dinamica molecolare hanno rivelato nel passato che l'aggiunta dei gemelli del nanoscale ai nanowires dell'oro può agire ad aumento o fare diminuire la loro resistenza al contratto provvisorio nella tensione, secondo sia il diametro del campione che il numero dei gemelli per lunghezza di unità^12,13.

Figura 1: Tipi Differenti di microstrutture gemellate osservate nei nanowires dell'oro sviluppati da chimica bagnata. (a) Nanowire circolare Senza Difetti. (b) nanowire circolare Periodico-Gemellato con gioco di limite del gemello di costante (TBS). (c) nanowire Periodico-Gemellato con morfologia della superficie di zigzag fatta {di 111} sfaccettatura e di TBS costante.

Inoltre, una transizione marcata da comportamento quasi friabile all'sforzo-indurimento significativo e gli sforzi ultraelevati di scorrimento plastico sono stati osservati nei nanowires periodico-gemellati dell'oro per un rapporto adeguato del limite gemellato che spazia (TBS) al diametro^14,15. Per esempio, Figura 2 mostra dell'l'istantanea livella atomico di simulazione per un nanowire periodico-gemellato dell'oro deforme nella tensione dalla frattura duttile. In questo caso, gli effetti d'indurimento significativi dovuto il bloccaggio del contratto provvisorio di cristallo dai limiti gemellati di preesistenza hanno avuto luogo. Ciò ha indotto la resistenza alla trazione massima ad aumentare a 3,2 GPa, quello è più di 25 volte più grande della resistenza alla trazione in serie.

Figura 2: di simulazione su elaboratore Livella atomico di deformazione di plastica e della frattura duttile in un nanowire periodico-gemellato dell'oro nell'ambito di tensione pura.

Dimensione contro Morfologia Di Superficie

In Modo Macroscopico, in gran parte è ammesso che i difetti superficiali agiscono per fare diminuire lo sforzo richiesto per nucleazione della dislocazione e così il limite elastico. Le simulazioni atomistiche Recenti, tuttavia, hanno predetto appena una tendenza relativa opposta ai nanowires dell'oro. Specificamente, è stato trovato che la resistenza alla trazione dei nanowires dell'oro con le morfologie complesse di zigzag che consistono {di 111} sfaccettatura della superficie, simile a quella come appare la Figura 1c, può essere più di 45 volte più grande di quella di oro in serie, che corrisponde ai livelli di sforzo quasi-ideali (5,5 GPa)¹⁶.

Ancora, altre simulazioni hanno indicato una diminuzione drammatica nella sensibilità di sforzo-rate alle temperature differenti in questi nanowires periodico-gemellati dell'Au di zigzag rispetto ai nanowires senza difetti dell'Au con la sezione trasversale circolare¹⁷. Questo comportamento è contrassegnato differente da quello osservato generalmente all'ingrosso metalli cubici fronte di taglio-centrati come oro dove l'introduzione di nanoscale gemella significativamente aumenta la sensibilità di tensione di snervamento al sforzo-rate. La sfaccettatura Di Superficie nei nanowires gemellati dell'Au provoca un associato trattato rendente novello con la nucleazione e la propagazione delle dislocazioni complete lungo {001} sistema di contratto provvisorio di <110>, invece {del 111} contratto provvisorio parziale comune di <112> osservato in metalli cubici fronte di taglio-centrati. Riassumendo, queste simulazioni suggeriscono che i difetti dello speciale quali i gemelli e le sfaccettature della superficie possano essere utilizzati per avvicinarsi alla concentrazione ideale di oro nei nanowires.

Riconoscimento

Il Supporto dal National Science Foundation degli Stati Uniti (concessione DMR-0747658) e le risorse del computer del Centro Di Elaborazione Avanzato il Vermont riconoscente si riconoscono.

Riferimenti

1. Frenkel, J., kristallinischer Körper di Festigkeit del der del und di Elastizitätsgrenze del der di Zur Theorie. Für Physik, 1926. 37 di Zeitschrift: p. 572-609.
2. Brennero, S.S., Crescita e Beni “delle Basette„. Science, 1958. 128(3324): p. 569-575.
3. Gao, J. e B. Xu, Applicazioni dei nanomaterials dentro le celle. Oggi Nano, 2009. 4(1): p. 37-51.
4. Lal, S., S. Link e la New Jersey Halas, Nano-Ottica dalla percezione a waveguiding. Fotonica della Natura, 2007. 1(11): p. 641-648.
5. LU, Y., et al., saldatura a freddo Dei nanowires ultrasottili dell'oro. Nanotecnologia della Natura, 2010. 5(3): p. 218-224.
6. Ratner, M. e D. Ratner, Nanotecnologia: Un'introduzione delicata alla grande idea seguente. 2002: Prentice Corridoio. 208.
7. Uchic, M.D., et al., concentrazione di influenza di dimensioni del Campione e plasticità del cristallo. Scienza, 2004. 305(5686): p. 986-989.
8. Comportamento compressivo di Kim, di J.Y. e di J.R. Greer, Di Tensione e dei monocristalli del molibdeno e dell'oro al nano-disgaggio. Acta Materialia, 2009. 57(17): p. 5245-5253.
9. Parthasarathy, T.A., et al., Contributo ad effetto di dimensione di carico di snervamento dallo stochastics delle lunghezze di sorgente di dislocazione in campioni limitati. Scripta Materialia, 2007. 56(4): p. 313-316.
10. Greer, J.R. e W.D. Nix, colonne dell'oro di Nanoscale rinforzate con inedia di dislocazione. Rassegna Fisica B, 2006. 73(24): p. 245410.
11. Richter, G., et al., Concentrazione Ultraelevata Nanowhiskers Monocristallino Sviluppato tramite Applicazione a Spruzzo Fisica. Lettere Nane, 2009. 9(8): p. 3048-3052.
12. Deng, C. e F. Sansoz, tensione di snervamento Dimensione-Dipendente nei nanowires gemellati dell'oro mediati dall'emissione di superficie sito-specifica di dislocazione. Lettere di Fisica Applicata, 2009. 95(9): p. 091914.
13. Deng, C. e F. Sansoz, forza Repellente del limite gemellato sulle dislocazioni curve e del suo ruolo sul rendere dei nanowires gemellati. Scripta Materialia, 2010. 63(1): p. 50-53.
14. Deng, C. e F. Sansoz, Differenze fondamentali nella plasticità dei nanowires periodicamente gemellati in Au, AG, Al, Cu, Pb e Ni. Acta Materialia, 2009. 57(20): p. 6090-6101.
15. Deng, C. e F. Sansoz, Permettendo allo Scorrimento Plastico ed all'Incrudimento Ultraelevati in Oro Gemellato Nanowires. Lettere Nane, 2009. 9(4): p. 1517-1522.
16. Deng, C. e F. Sansoz, Concentrazione Quasi-Ideale in Oro Nanowires Raggiunta con Progettazione Microstrutturale. ACS Nano, 2009. 3(10): p. 3001-3008.
17. Deng, C. e F. Sansoz, Effetti del gemello e della sfaccettatura della superficie sulla sensibilità di sforzo-rate dei nanowires dell'oro alle temperature differenti. Rassegna Fisica B, 2010. 81(15): p. 155430.