Plasticidade De Cristal de Nanoscale: Aumentação à Superfície

pelo Professor Frederic Sansoz

Professor Frederic Sansoz, Grupo de Investigação de Sansoz, A Universidade de Vermont
Autor Correspondente: frederic.sansoz@uvm.edu

Um material cristalino tal como o ouro que submete-se a uma mudança permanente na forma quando carregado mecanicamente é o resultado da plasticidade de cristal. O inquérito científico para a força ideal contra a deformação plástica nos cristais foi um ponto de foco para a pesquisa por quase 90 anos1. Os Avanços neste campo tiveram muitas implicações tecnologicos importantes para melhorar a resistência da força e da falha em materiais estruturais, assim como no metal que forma processos.

As propriedades mecânicas preliminares afetadas pela plasticidade de cristal são o limite elástico, a ductilidade elástica, que inclui o tensão-endurecimento de fenômenos, e a dureza. O Controle sobre o tamanho de características microstructural em escalas diferentes do comprimento, tais como grões e precipitates, teve muitos resultados bem sucedidos em aumentar a força em sólidos cristalinos maiorias. Notàvel, as experiências seminais por Brenner nos anos 50 igualmente mostraram que a força da micrômetro-escala, dos filamentos cristalinos defeito-livres ou das suiças deformados na tensão poderia ser pelo menos um ordem de grandeza maior do que aquele de suas contrapartes maiorias através da redução de tamanho2.

Hoje, este aspecto fundamental é pertinente para aplicações miniaturizadas tais como sistemas micro-electromecânicos (MEMS), porque criar filmes cristalinos robustos na escala do comprimento do secundário-micrômetro é essencial a fim se assegurar de que tais dispositivos executem bem ao longo do tempo. No nanoscale, umas aplicações mais emocionantes encontram-se em conectar materiais baixo-dimensionais como nanostructures metálicos às biomoléculas e pilhas para a terapia do cancro3. Os nanowires Metálicos podem ser usados para guiar radiações eletromagnéticas ou plasmons para detectar aplicações e transferência de dados óptica da em-microplaqueta4. Podem igualmente ligar junto para criar estruturas contínuas complexas pela manipulação mecânica5. Uma compreensão precisa da plasticidade do metal na escala reduzida do comprimento é da importância considerável para tais aplicações.

O significado de efeitos de tamanho em propriedades mecânicas no nanoscale tem sido reconhecido por muito tempo desde a era da nanotecnologia começado [6]. A ideia que, para propriedades de materiais, o mundo do nanoscale não seja simplesmente uma versão da redução proporcional do macroscale é agora bem conhecida. Em particular, o progresso recente mostrou aquele além do que a microestrutura, surge o jogo um papel chave na plasticidade de cristal do nanoscale e na sua dependência do tamanho. No seguinte, Eu usarei o ouro como um exemplo para ilustrar como as superfícies impactam dramàtica na plasticidade e na força de cristal no nanoscale. Com tal fim, deve-se recordar que o ouro puro é um dos metais os mais macios com uma resistência à tracção máxima de MPa ~120.

Tamanho contra Deslocações

Em 2004, Uchic e outros7 revisitou primeiramente as experiências clássicas de Brenner plàstica deformando os micropillars feitos da trituração do feixe (FIB) do focalizar-íon de único-cristais metálicos. Esta aproximação mostrou que os cristais cilíndricos do ouro de 245 nanômetro no diâmetro exibiram uma resistência à tracção de MPa 360, isto é, três vezes a força do ouro maioria8.

os nanostructures metálicos Mentir-feitos à máquina são sabidos para possuir a linha de preexistência defeitos, chamados as deslocações, devido à microestrutura de cristal inicial e ao dano de superfície Mentir-induzido. Porque as deslocações são os portadores preliminares da plasticidade nos metais, prevalece conseqüentemente para caracterizar a influência de densidades de deslocação em esforços do fluxo plástico e dos processos subjacentes da deslocação em cristais do nanoscale sob a deformação.

Para essa finalidade, as simulações computorizadas passadas da dinâmica da deslocação revelaram um mecanismo de endurecimento tamanho-dependente novo negociado por superfícies livres nas colunas metálicas do submicrometer referidas como o endurecimento do Source-truncamento9. Este processo corresponde à quebra dos laços de preexistência da deslocação que cruzam a superfície livre para formar umas fontes mais curtos do único-braço, que estejam mantidas inactivas até que haja uma suficiente elevação no esforço aplicado. Um segundo mecanismo superfície-negociado, endurecendo-se pela inanição da deslocação, foi propor quando a taxa de escape da deslocação em superfícies livres ?a para excedido aquela para a multiplicação da deslocação, até ao ponto em que a deformação plástica se torna Source-limitada10.

Tamanho contra Limites Gêmeos

Os nanowires do Ouro crescidos por aproximações de baixo para cima do crescimento químico molhado ou do depósito físico são tipicamente menos de 100 nanômetro no diâmetro e em cristais defeito-livres. Na teoria, isto faz-lhes sistemas ideais para aproximar forças ultrahigh. Porque tais volumes pequenos não podem facilmente armazenar deslocações, a fractura é quase-frágil e governada pelo enxerto de cristal localizado iniciado da superfície livre11. Não Obstante, juntar ocorre ubiquitously durante o crescimento de cristal do nanoscale e é encontrado para melhorar a plasticidade de cristal em nanowires do ouro.

Figura 1 indica esquematicamente tipos diferentes de microestrutura juntadas observadas experimental em nanowires do ouro da química molhada. As simulações Em Grande Escala da dinâmica molecular revelaram no passado que a adição de gêmeos do nanoscale aos nanowires do ouro pode actuar ao aumento ou diminuir sua resistência ao enxerto na tensão, segundo o diâmetro da amostra e o número de gêmeos pelo comprimento de unidade12,13.

Figura 1: Tipos Diferentes de microestrutura juntadas observadas nos nanowires do ouro crescidos pela química molhada. (a) nanowire circular Defeito-Livre. (b) nanowire circular Periódico-Juntado com afastamento gêmeo constante do limite (TBS). (c) nanowire Periódico-Juntado com a morfologia da superfície do ziguezague feita {de 111} facetas e de TBS constante.

Também, uma transição afiada do comportamento quase-frágil ao tensão-endurecimento significativo e os esforços ultrahigh do fluxo plástico foram observados em nanowires periódico-juntados do ouro para uma relação apropriada do limite gêmeo que espaça (TBS) ao diâmetro14,15. Por exemplo, Figura 2 mostra o instantâneo da simulação do atômico-nível para um nanowire periódico-juntado do ouro deformado na tensão pela fractura dútile. Neste caso, os efeitos deendurecimento significativos devido ao bloqueio do enxerto de cristal por limites gêmeos de preexistência ocorreram. Isto fez com que a resistência à tracção máxima aumentasse a 3,2 GPa, de que é mais de 25 vezes maior do que a resistência à tracção maioria.

Figura 2: simulação computorizada do Atômico-Nível da deformação plástica e da fractura dútile em um nanowire periódico-juntado do ouro sob a tensão pura.

Tamanho contra a Morfologia De Superfície

Macroscòpica, admite-se pela maior parte que os defeitos de superfície actuam para diminuir o esforço exigido para a nucleação da deslocação e assim o limite elástico. As simulações atomísticas Recentes, contudo, apenas previram uma tendência oposta em nanowires do ouro. Especificamente, encontrou-se que a resistência à tracção de nanowires do ouro com as morfologias complexas do ziguezague que consistem {em 111} facetas da superfície, similares àquela mostrada na Figura 1c, pode ser mais de 45 vezes maior do que aquela do ouro maioria, que corresponde aos níveis de esforço próximo-ideais (5,5 GPa)16.

Além Disso, outras simulações mostraram uma diminuição dramática na sensibilidade da tensão-taxa em temperaturas diferentes nestes nanowires periódico-juntados do Au do ziguezague em comparação com nanowires defeito-livres do Au com secção transversal circular17. Este comportamento é marcada diferente daquele observado geralmente em metais cúbicos face-centrados volume como o ouro onde a introdução de nanoscale junta aumenta significativamente a sensibilidade do esforço de rendimento à tensão-taxa. A lapidação De Superfície em nanowires juntados do Au causa um processo rendendo novo associado com a nucleação e a propagação de deslocações completas ao longo {de 001} sistemas de enxerto de <110>, em vez {dos 111} enxertos parciais comum de <112> observados em metais cúbicos face-centrados. Em resumo, estas simulações sugerem que os defeitos especiais tais como gêmeos e facetas da superfície possam ser utilizados para aproximar a força ideal do ouro nos nanowires.

Reconhecimento

O Apoio do National Science Foundation dos E.U. (concessão DMR-0747658) e os recursos do computador do Centro De Elaboração Avançado Vermont são reconhecidos grata.


Referências

  1. Frenkel, J., kristallinischer Körper de Festigkeit do der do und de Elastizitätsgrenze do der de Zur Theorie. Für Physik de Zeitschrift, 1926. 37: p. 572-609.
  2. Brenner, S.S., Crescimento e Propriedades das “Suiças”. Ciência, 1958. 128(3324): p. 569-575.
  3. Gao, J. e B. Xu, Aplicações dos nanomaterials dentro das pilhas. Hoje Nano, 2009. 4(1): p. 37-51.
  4. Lal, S., S. Relação, e New Jersey Halas, Nano-Sistema Ótico da detecção a waveguiding. Natureza Photonics, 2007. 1(11): p. 641-648.
  5. Lu, Y., e outros, soldadura Fria de nanowires ultrathin do ouro. Nanotecnologia da Natureza, 2010. 5(3): p. 218-224.
  6. Ratner, M. e D. Ratner, Nanotecnologia: Uma introdução delicada à ideia grande seguinte. 2002: Prentice Salão. 208.
  7. Uchic, M.D., e outros, força da influência das dimensões da Amostra e plasticidade do cristal. Ciência, 2004. 305(5686): p. 986-989.
  8. Comportamento compressivo de Kim, de J.Y. e de J.R. Greer, Elástico e de únicos cristais do ouro e do molibdênio na nano-escala. Acta Materialia, 2009. 57(17): p. 5245-5253.
  9. Parthasarathy, T.A., e outros, Contribuição para o efeito de tamanho da força de rendimento do stochastics de comprimentos da fonte da deslocação em amostras finitas. Scripta Materialia, 2007. 56(4): p. 313-316.
  10. Greer, J.R. e W.D. Nix, colunas do ouro de Nanoscale reforçadas com a inanição da deslocação. Revisão Física B, 2006. 73(24): p. 245410.
  11. Richter, G., e outros, Força Ultrahigh Nanowhiskers Monocristalino Crescido pelo Depósito de Vapor Físico. Letras Nano, 2009. 9(8): p. 3048-3052.
  12. Deng, C. e F. Sansoz, esforço de rendimento Tamanho-Dependente nos nanowires juntados do ouro negociados pela emissão de superfície local-específica da deslocação. Letras da Física Aplicada, 2009. 95(9): p. 091914.
  13. Deng, C. e F. Sansoz, força Repulsivo do limite gêmeo em deslocações curvadas e do seu papel em render de nanowires juntados. Scripta Materialia, 2010. 63(1): p. 50-53.
  14. Deng, C. e F. Sansoz, diferenças Fundamentais na plasticidade de nanowires periòdicamente juntados no Au, AG, Al, Cu, Pb e Ni. Acta Materialia, 2009. 57(20): p. 6090-6101.
  15. Deng, C. e F. Sansoz, Permitindo o Fluxo Plástico e o Endurecimento de Trabalho Ultrahigh no Ouro Juntado Nanowires. Letras Nano, 2009. 9(4): p. 1517-1522.
  16. Deng, C. e F. Sansoz, Força Próximo-Ideal no Ouro Nanowires Conseguida com o Projecto Microstructural. ACS Nano, 2009. 3(10): p. 3001-3008.
  17. Deng, C. e F. Sansoz, Efeitos do gêmeo e da faceta da superfície na sensibilidade da tensão-taxa de nanowires do ouro em temperaturas diferentes. Revisão Física B, 2010. 81(15): p. 155430.

Copyright AZoNano.com, Professor Frederic Sansoz (A Universidade de Vermont)

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

Last Update: 14. June 2013 04:37

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