Пластичность Nanoscale Кристаллическая: Поднимать к Поверхности

Профессором Frederic Sansoz

Профессор Frederic Sansoz, Исследовательская Группа Sansoz, Университет Вермонта
Соответствуя автор: frederic.sansoz@uvm.edu

Кристаллический материал как золото проходя постоянное изменение в форме нагружано механически результат кристаллической пластичности. Научное дознание для идеально прочности против пластичной деформации в кристаллах фокус для исследования на почти 90 лет1. Выдвижения в это поле имели много важных технологических прикосновенностей для улучшать сопротивление прочности и отказа в структурных материалах, так же, как в металле формируя процессы.

Основные механически свойства повлиянные на кристаллической пластичностью предел упругости, растяжимая дуктильность, которая включает напряжени-твердеть явления, и твердость. Управление над размером микроструктурных характеристик на различных маштабах длины, как зерна и преципитаты, имело много успешных результатов в увеличивать прочность в навальных кристаллических твердых телах. Замечательн, полуфинальные эксперименты Brenner в 1950's также доказывали что прочность микрометр-маштаба, дефект-свободных кристаллических нитей или вискеров деформированных в напряжении смогла быть хотя бы один порядок величины более большой чем то из их навальных двойников через уменьшение размера2.

Сегодня, этот основной аспект относящ для миниатюризированных применений как микро--электро-механические системы (MEMS), потому что создавать робастные кристаллические фильмы на маштабе длины sub-микрометра необходим для того чтобы обеспечить что такие приборы выполняют хорошо над временем. На nanoscale, более exciting применения лежат в взаимодействовать низк-габаритные материалы как металлические nanostructures к биомолекулам и клетки для терапии рака3. Металлические nanowires можно использовать для того чтобы направить электромагнитные излучения или плазмоны для воспринимать применения и передачу данных на-обломока оптически4. Они могут также связать совместно для того чтобы создать сложные твердые структуры механически манипуляцией5. Точное вникание пластичности металла на уменьшенном маштабе длины немаловажного значения для таких применений.

Значительность влияний размера на механически свойствах на начатом nanoscale длиной с эры нанотехнологии [6]. Идея что, для свойств материалов, мир nanoscale нет просто версии маштаба-вниз макромасштаба теперь солидна. В частности, недавний прогресс показывал то в дополнение к микроструктуре, игре поверхностей ключевая роль в пластичности nanoscale кристаллической и своей зависимости размера. В следующем, Я буду использовать золото как пример для того чтобы проиллюстрировать как поверхности драматически плотно сжимают на кристаллических пластичности и прочности на nanoscale. К этому концу, его необходимо вспомнить что червонное золото один из самых мягких металлов с максимальной прочностью на растяжение MPa ~120.

Размер против Вывихиваний

В 2004, эксперименты по сперва revisited7 Brenner Uchic et al. классицистические пластично деформировать micropillars сделанные от фокусировать-иона испускают лучи (FIB) филировать металлических одиночн-кристаллов. Этот подход показывал что цилиндрические кристаллы золота 245 nm в диаметре показали прочность на растяжение MPa 360, т.е., 3 времени прочность навального золота8.

знаны, что обладают FIB-подвергли механической обработке металлические nanostructures preexisting линией вызванными дефектами, вывихиваниями, должными к начальной кристаллической микроструктуре и FIB-наведенному поверхностному повреждению. По Мере Того Как вывихивания основные несущие пластичности в металлах, она поэтому превалирует для того чтобы характеризовать влияние плотностей дислокации на пластичных напряжениях течения и основных процессов вывихивания в кристаллах nanoscale под деформацией.

Для той цели, прошлые имитации компьютера динамики вывихивания показывали новый размер-зависимый твердея механизм посредничанный свободными поверхностями в штендерах submicrometer металлических названных твердеть источник-усекания9. Этот процесс соответствует к ломать preexisting пучностей дислокации пересекая свободную поверхность для того чтобы сформировать более короткие источники одиночн-рукоятки, которые сдержаны бездействующим до тех пор пока нет достаточного подъема в прикладное усилие. Был предложен второй поверхност-посредничанный механизм, твердея голоданием вывихивания, когда найдены, что превышает тариф избежания вывихивания на свободных поверхностях то для умножения вывихивания, до степени что пластичная деформация будет источник-лимитированной10.

Размер против Твиновских Границ

Nanowires Золота, котор росли вверх ногами подходы от влажного химического роста или физического низложения типично чем 100 nm в диаметре и дефект-свободных кристаллах. В теории, это делает ими идеально системы для причаливать ультравысоким прочностям. Потому Что такие малые тома не могут легко хранить вывихивания, трещиноватость quasi-хрупка и управлена локализованным кристаллическим выскальзованием начатым от свободной поверхности11. Однако, дублировать происходит ubiquitously во время выращивания кристаллов nanoscale и найдены, что улучшает кристаллическую пластичность в nanowires золота.

Диаграмма 1 схематически показывает разные виды дублированных микроструктур наблюдаемых экспириментально в nanowires золота от влажной химии. Широкомасштабные имитации молекулярной динамики показывали в прошлом что добавление близнецов nanoscale к nanowires золота может подействовать к или увеличению или уменьшить их сопротивление к выскальзованию в напряжении, в зависимости от и диаметра образца и количества близнецов в длину блока12,13.

Диаграмма 1: Разные виды дублированных микроструктур наблюдаемых в nanowires золота, котор росла влажная химия. (a) Дефект-Свободное круговое nanowire. (b) Периодическ-Дублированное круговое nanowire с постоянн твиновским дистанционированием границы (TBS). (c) Периодическ-Дублированное nanowire при словотолкование поверхности зигзага сделанное {111} фасетки и постоянн TBS.

Также, острый переход от quasi-хрупкого поведения к значительно напряжени-твердеть и ультравысокие пластичные напряжения течения наблюдались в периодическ-дублированных nanowires золота для правильного коэффициента твиновской границы размечая (TBS) к диаметру14,15. На пример, на Диаграмму 2 показано снимок имитации атомн-уровня для периодическ-дублированного nanowire золота деформированного в напряжении дуктильной трещиноватостью. В этот случай, значительно напряжени-твердея влияния должные к засорению кристаллического выскальзования путем preexisting твиновские границы осуществили. Это причинило максимальную прочность на растяжение поднять до 3,2 GPa, то больше чем 25 времен большле чем навальная прочность на растяжение.

Диаграмма 2: имитация компьютера Атомн-Уровня пластичной деформации и дуктильной трещиноватости в периодическ-дублированном nanowire золота под чисто напряжением.

Размер против Поверхностного Словотолкования

Макроскопически, в большинстве впущено что действуют, что уменьшают поверхностные дефекты усилие необходимы для нуклеации вывихивания и таким образом предела упругости. Недавние атомистические имитации, однако, как раз предсказывали противоположную тенденцию в nanowires золота. Специфически, было найдено что прочность на растяжение nanowires золота при сложные словотолкования зигзага состоя из {111} фасетки поверхности, подобной к тому показанному в Диаграмме 1c, может быть больше чем 45 времен большле чем прочность на растяжениеиз навального золота, которое соответствует к близко-идеально уровням усилия (5,5 GPa)16.

Furthermore, другие имитации показывали драматическое уменшение в чувствительности напряжени-тарифа на различных температурах в этих периодическ-дублированных nanowires Au зигзага по сравнению с дефект-свободными nanowires Au с круглым сечением17. Это поведение отличал заметно поведенивообще наблюдаемое в навальных металлах гранецентрированной кубической решетки как золото где введение nanoscale дублирует значительно увеличивает чувствительность предела текучести к напряжени-тарифу. Поверхностный гранить в дублированных nanowires Au дает подъем к романному производя процессу связанному с нуклеацией и распространением полных вывихиваний вдоль {001} системы выскальзования <110>, вместо общего {111} выскальзования <112> частично наблюдаемого в металлах гранецентрированной кубической решетки. В сводке, эти имитации предлагают что специальные дефекты как близнецы и фасетки поверхности можно использовать для того чтобы причалить идеально прочности золота в nanowires.

Подтверждение

Поддержка от Национального фонда США (дара DMR-0747658) и ресурсы компьютера Центра Выдвинутого Вермонтом Вычисляя признательно подтвержены.


Справки

  1. Frenkel, J., kristallinischer Körper Festigkeit der und Elastizitätsgrenze der Zur Theorie. Für Physik Zeitschrift, 1926. 37: P. 572-609.
  2. Brenner, S.S., Рост и Свойства «Вискеров». Наука, 1958. 128(3324): P. 569-575.
  3. Gao, J. и B. Xu, Применения nanomaterials внутри клеток. Nano Сегодня, 2009. 4(1): P. 37-51.
  4. Lal, S., S. Соединение, и N.J. Halas, Nano-Оптика от воспринимать к waveguiding. Природа Photonics, 2007. 1(11): P. 641-648.
  5. Lu, Y., et al., Холодная заварка ультратонких nanowires золота. Нанотехнология Природы, 2010. 5(3): P. 218-224.
  6. Ratner, M. и D. Ratner, Нанотехнология: Нежное введение к следующей большой идее. 2002: Prentice Hall. 208.
  7. Uchic, M.D., et al., размеры Образца прочность влияния и пластичность кристалла. Наука, 2004. 305(5686): P. 986-989.
  8. Поведение Ким, J.Y. и J.R. Greer, Растяжимого и сжимающего кристаллов золота и молибдена одиночных на nano-маштабе. Acta Materialia, 2009. 57(17): P. 5245-5253.
  9. Parthasarathy, T.A., et al., Вклад к влиянию размера прочности выхода от stochastics длин источника вывихивания в небесконечных образцах. Scripta Materialia, 2007. 56(4): P. 313-316.
  10. Greer, J.R. и W.D. Nix, штендеры золота Nanoscale усиленные через голодание вывихивания. Физическое Просмотрение B, 2006. 73(24): P. 245410.
  11. Richter, G., et al., Ультравысокая Прочность Одиночное Кристаллическое Nanowhiskers, котор Росло Физическое Низложение Пара. Nano Письма, 2009. 9(8): P. 3048-3052.
  12. Deng, C. и F. Sansoz, Размер-Зависимый предел текучести в дублированных nanowires золота посредничанных мест-специфическим поверхностным излучением вывихивания. Письма Прикладной Физики, 2009. 95(9): P. 091914.
  13. Deng, C. и F. Sansoz, Отталкивающее усилие твиновской границы на изогнутых вывихиваниях и своей роли на производить дублированных nanowires. Scripta Materialia, 2010. 63(1): P. 50-53.
  14. Deng, C. и F. Sansoz, Коренные отличия в пластичности периодически дублируемых nanowires в Au, Ag, Al, Cu, Pb и Ni. Acta Materialia, 2009. 57(20): P. 6090-6101.
  15. Deng, C. и F. Sansoz, Включающ Ультравысокие Пластичную Подачу и Твердеть Работы в Дублированном Золоте Nanowires. Nano Письма, 2009. 9(4): P. 1517-1522.
  16. Deng, C. и F. Sansoz, Близко-Идеально Прочность в Золоте Nanowires Достиганная через Микроструктурную Конструкцию. ACS Nano, 2009. 3(10): P. 3001-3008.
  17. Deng, C. и F. Sansoz, Влияния близнеца и фасетки поверхности на чувствительности напряжени-тарифа nanowires золота на различных температурах. Физическое Просмотрение B, 2010. 81(15): P. 155430.

Авторское Право AZoNano.com, Профессор Frederic Sansoz (Университет Вермонта)

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

Last Update: 14. June 2013 04:41

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