De Plasticiteit van het Kristal van Nanoscale: Het Toenemen tot de Oppervlakte

door Professor Frederic Sansoz

Professor Frederic Sansoz, Sansoz Onderzoeksteam, de Universiteit van Vermont
Overeenkomstige auteur: frederic.sansoz@uvm.edu

Een kristallijn materiaal zoals goud die een permanente verandering in vorm ondergaan wanneer mechanisch geladen is het resultaat van kristalplasticiteit. Het wetenschappelijke onderzoek voor de ideale sterkte tegen plastic misvorming in kristallen is een steunpunt voor onderzoek bijna 90 jaar geweest1. De Vooruitgang op dit gebied heeft vele belangrijke technologische implicaties voor het verbeteren van sterkte en mislukkingsweerstand in structurele materialen gehad, evenals in metaal die processen vormen.

De primaire mechanische die eigenschappen door kristalplasticiteit zijn worden beïnvloed de elastische grens, de trekrekbaarheid, die spanning-verhardende fenomenen, en de hardheid omvat. De Controle over de grootte van microstructurele eigenschappen bij verschillende lengteschalen, zoals korrels en precipitaten, heeft vele succesvolle resultaten in het vergroten van sterkte in bulk kristallijne vaste lichamen gehad. Opmerkelijk, hebben de rudimentaire experimenten door Brenner in de jaren '50 ook bewezen dat de sterkte van micrometer-schaal, kristallijne die gloeidraden of bakkebaarden zonder gebreken in spanning wordt misvormd minstens één grootteorde zou kunnen zijn groter dan dat van hun bulktegenhangers via groottevermindering2.

Vandaag, is dit fundamentele aspect relevant voor verkleinde toepassingen zoals micro-electromechanical systemen (MEMS), omdat creëren van robuuste kristallijne films bij de schaal van de sub-micrometerlengte essentieel is om ervoor te zorgen dat dergelijke apparaten goed in tijd presteren. Bij nanoscale, liggen de opwindendere toepassingen in de omzetting van laag-dimensionale materialen zoals metaalnanostructures aan biomoleculen en cellen voor kankertherapie3. Metaal nanowires kunnen worden gebruikt om elektromagnetische stralingen of plasmons te leiden voor het ontdekken van toepassingen en van op-spaander optische gegevens overdracht4. Zij kunnen ook samenbinden om complexe stevige structuren door mechanische manipulatie tot stand te brengen5. Een nauwkeurig inzicht in metaalplasticiteit bij verminderde lengteschaal is van groot belang voor dergelijke toepassingen.

De betekenis van groottegevolgen voor is mechanische eigenschappen bij nanoscale lang erkend aangezien de nanotechnologieera begon [6]. Het idee dat, voor materialeneigenschappen, de wereld van nanoscale geen verlaagt eenvoudig versie van de macroschaal is is nu reeds lang gevestigd. In het bijzonder, heeft de recente vooruitgang aangetoond dat naast microstructuur, de oppervlakten een belangrijke rol in de plasticiteit van het nanoscalekristal en zijn grootteafhankelijkheid spelen. In het volgende, zal Ik als voorbeeld goud gebruiken om te illustreren hoe de oppervlakten dramatisch kristalplasticiteit en sterkte bij nanoscale beïnvloeden. Daartoe, moet men herinneren dat het zuivere goud één van de zachtste metalen met een maximumtreksterkte van ~120 MPa is.

Grootte versus Dislocaties

In 2004, Uchic et al.7 eerste bezocht de klassieke experimenten van Brenner door plastically te misvormen opnieuw micropillars gemaakt van concentreren-ionenstraal (FIB)malen van metaal enig-kristallen. Deze benadering heeft aangetoond dat de cilindrische gouden kristallen van 245 NM in diameter een treksterkte van MPa 360, d.w.z., drie keer de sterkte van bulkgoud tentoonstelden8.

Liegenen-machinaal bewerkte metaalnanostructures zijn gekend om reeds bestaande lijntekorten te bezitten, genoemd dislocaties, wegens de aanvankelijke kristalmicrostructuur en de liegenen-Veroorzaakte oppervlakteschade. Aangezien de dislocaties de primaire carriers van plasticiteit in metalen zijn, heerst het daarom om de invloed met dislocatiedichtheid op plastic stroom te kenmerken beklemtoont en de onderliggende dislocatieprocessen in nanoscalekristallen onder misvorming.

Voor dat doel, hebben de afgelopen computersimulaties van dislocatiedynamica een nieuw grootte-afhankelijk verhardend die mechanisme geopenbaard door vrije oppervlakten in submicrometer metaaldiepijlers wordt bemiddeld als bron-beknotting het verharden worden bedoeld9. Dit proces beantwoordt aan het breken van reeds bestaande dislocatielijnen die de vrije oppervlakte snijden om kortere enig-wapenbronnen te vormen, die inactief worden gehouden tot er een voldoende stijging van de toegepaste spanning is. Een tweede oppervlakte-bemiddeld mechanisme, die door dislocatieverhongering, verharden werd voorgesteld wanneer het tarief van dislocatievlucht aan vrije oppervlakten wordt gevonden om dat voor dislocatievermenigvuldiging te overschrijden, zodanig dat de plastic misvorming bron-beperkt wordt10.

Grootte versus TweelingGrenzen

Goud nanowires door bottom-up benaderingen van de natte chemische groei wordt het gekweekt of het fysieke deposito is typisch minder dan 100 NM in diameter en kristallen dat zonder gebreken. In theorie, dit tot hen ideale systemen maakt om ultrahoge sterke punten te naderen. Omdat dergelijke kleine volumes geen dislocaties kunnen gemakkelijk opslaan die, is de breuk quasi-bros en regeert door gelokaliseerde die kristalmisstap van de vrije oppervlakte in werking wordt gesteld11. Niettemin, komt het samenbrengen ubiquitously tijdens de groei van het nanoscalekristal voor en gevonden om kristalplasticiteit in goud te verbeteren nanowires.

Figuur 1 toont schematisch verschillende soorten samengebrachte die microstructuren experimenteel in goud nanowires van natte chemie worden waargenomen. De moleculaire dynamicasimulaties hebben Op Grote Schaal in het verleden geopenbaard dat de toevoeging van nanoscaletweelingen aan goud nanowires kan handelen of hun weerstand tegen misstap in spanning, afhankelijk van zowel steekproefdiameter als aantal tweelingen per eenheidslengte verhogen of verminderen12,13.

Figuur 1: Verschillende soorten samengebrachte die microstructuren in goud worden waargenomen nanowires door natte chemie wordt gekweekt. (a) cirkelnanowire Zonder gebreken. (b) periodiek-Samengebrachte cirkelnanowire met het constante tweelinggrens uit elkaar plaatsen (TBS). (c) periodiek-Samengebracht die nanowire met de morfologie van de zigzagoppervlakte van {111} wordt gemaakt facetten en constante TBS.

Ook, werden een scherpe overgang van quasi-bros gedrag naar significante spanning-verhardt en de ultrahoge plastic stroomspanningen waargenomen in periodiek-samengebracht goud nanowires voor een juiste verhouding van het tweelinggrens uit elkaar plaatsen (TBS) aan diameter14,15. Bijvoorbeeld, toont Figuur 2 de atoom-vlakke simulatiemomentopname voor een periodiek-samengebracht die goud nanowire in spanning door kneedbare breuk wordt misvormd. In dit geval, vonden de significante spanning-verhardende gevolgen toe te schrijven aan de stagnatie van kristalmisstap door reeds bestaande tweelinggrenzen plaats. Dit veroorzaakte de maximumtreksterkte om tot 3.2 GPa toe te nemen, die meer dan 25 keer groter is dan de bulktreksterkte.

Figuur 2: Atoom-Vlakke computersimulatie van plastic misvorming en kneedbare breuk in een periodiek-samengebracht goud nanowire onder zuivere spanning.

Grootte versus de Morfologie van de Oppervlakte

Macroscopisch, geeft men grotendeels toe dat de oppervlaktetekorten handelen die de spanning te verminderen voor dislocatienucleation en zo de elastische grens wordt vereist. De Recente atomistic simulaties, echter, hebben net een tegenovergestelde tendens in goud nanowires voorspeld. Specifiek, vond men dat de treksterkte van goud nanowires met de complexe zigzagmorfologie die uit {111} bestaan oppervlaktefacetten, gelijkend op dat getoond in Cijfer 1c, meer dan 45 keer groter kan zijn dan dat van bulkgoud, dat aan near-ideal spanningsniveaus (5.5 GPa) beantwoordt16.

Voorts hebben andere simulaties een dramatische daling van spanning-tarief gevoeligheid bij verschillende temperaturen in dit periodiek-samengebrachte zigzagAu nanowires in vergelijking met Au zonder gebreken nanowires met cirkeldwarsdoorsnede getoond17. Dit gedrag is duidelijk verschillend van dat over het algemeen waargenomen in massa gezicht-gecentreerde kubieke metalen zoals goud waar de inleiding van nanoscale beduidend de spanningsgevoeligheid van de verhogingenopbrengst aan spanning-tarief samenbrengt. De Oppervlakte die in samengebracht Au facetteren nanowires leidt tot een nieuw opbrengend proces verbonden aan nucleation en de propagatie van volledige dislocaties langs {001} <110> misstapsystemen, in plaats van de gemeenschappelijke {gedeeltelijke die misstap 111} <112> in gezicht-gecentreerde kubieke metalen wordt waargenomen. Samengevat, stellen deze simulaties voor dat de speciale tekorten zoals tweelingen en oppervlaktefacetten kunnen worden gebruikt om de ideale sterkte van goud in nanowires te naderen.

Erkenning

De Steun van de Stichting van de Wetenschap van de V.S. Nationale (toelage dmr-0747658) worden en de computermiddelen van het Vermont Gevorderde Gegevens Verwerkende Centrum met dank erkend.


Verwijzingen

  1. Frenkel, J., Zur Theorie der Elastizitätsgrenze und der Festigkeit kristallinischer Körper. Zeitschrift für Physik, 1926. 37: p. 572-609.
  2. Brenner, S.S., de Groei en Eigenschappen van „Bakkebaarden“. Wetenschap, 1958. 128(3324): p. 569-575.
  3. Gao, J. en B. Xu, Toepassingen van nanomaterials binnen cellen. Nano Vandaag, 2009. 4(1): p. 37-51.
  4. Lal, S., S. Link, en N.J. Halas, nano-Optica van het ontdekken aan het waveguiding. Aard Photonics, 2007. 1(11): p. 641-648.
  5. Lu, Y., et al., Koudlassen van uiterst dun goud nanowires. De Nanotechnologie van de Aard, 2010. 5(3): p. 218-224.
  6. Ratner, M. en D. Ratner, Nanotechnologie: Een zachte inleiding aan het volgende grote idee. 2002: De Zaal van Prentice. 208.
  7. Uchic, M.D., et al., de sterkte van de de afmetingeninvloed van de Steekproef en kristalplasticiteit. Wetenschap, 2004. 305(5686): p. 986-989.
  8. Kim, J.Y. en J.R. Trek en samenpersende gedrag het van Greer, van goud en molybdeen enige kristallen bij de nano-schaal. Handelingen Materialia, 2009. 57(17): p. 5245-5253.
  9. Parthasarathy, TA, et al., Bijdrage tot grootteeffect van opbrengststerkte van stochastics van dislocatie bronlengten in eindige steekproeven. Scripta Materialia, 2007. 56(4): p. 313-316.
  10. Greer, J.R. en W.D. Nix, gouden die pijlers Nanoscale door dislocatieverhongering worden versterkt. Fysiek Overzicht B, 2006. 73(24): p. 245410.
  11. Richter, G., et al., Ultrahoge Sterkte Enige Kristallijne die Nanowhiskers door het Fysieke Deposito van de Damp wordt Gekweekt. Nano Brieven, 2009. 9(8): p. 3048-3052.
  12. Deng, C. en F. Sansoz, grootte-Afhankelijke opbrengstspanning in samengebracht die goud nanowires door de plaats-specifieke emissie van de oppervlaktedislocatie wordt bemiddeld. De Toegepaste Brieven van de Fysica, 2009. 95(9): p. 091914.
  13. Deng, C. en F. Sansoz, Afstotingskracht van tweelinggrens op gebogen dislocaties en zijn rol op het opbrengen van samengebracht nanowires. Scripta Materialia, 2010. 63(1): p. 50-53.
  14. Deng, C. en F. Sansoz, Fundamentele verschillen in de plasticiteit van periodiek samengebracht nanowires in Au, Ag, Al, Cu, Pb en Ni. Handelingen Materialia, 2009. 57(20): p. 6090-6101.
  15. Deng, C. en F. Sansoz, Toelatend Ultrahoge Plastic Stroom en het Werk die in Samengebrachte Gouden Nanowires Verharden. Nano Brieven, 2009. 9(4): p. 1517-1522.
  16. Deng, C. en F. Sansoz, Near-Ideal Sterkte in Gouden Nanowires Bereikte door Microstructureel Ontwerp. Nano ACS, 2009. 3(10): p. 3001-3008.
  17. Deng, C. en F. Sansoz, Gevolgen van tweeling en oppervlaktefacet voor spanning-tarief gevoeligheid van goud nanowires bij verschillende temperaturen. Fysiek Overzicht B, 2010. 81(15): p. 155430.

Copyright AZoNano.com, Professor Frederic Sansoz (de Universiteit van Vermont)

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

Last Update: 14. June 2013 04:02

Tell Us What You Think

Do you have a review, update or anything you would like to add to this article?

Leave your feedback
Submit