There is 1 related live offer.

5% Off SEM, TEM, FIB or Dual Beam

Nanoscale Crystal Plasticity: Resning till Ytbehandla

vid Professorn Frederic Sansoz

Professor Frederic Sansoz, Sansoz ForskningGrupp, Universitetar av Vermont
Motsvarande författare: frederic.sansoz@uvm.edu

Ett crystalline materiellt liksom guld- genomgå en permanent ändring formar in, när det mekaniskt laddas, är resultatet av crystal plasticity. Den vetenskapliga förfrågningen för idealstyrkan mot plast- deformering i kristaller har varit en brännpunkt för forskning för nästan 90 år1. Framflyttningar i denna sätter in har haft många viktiga teknologiska implikationer för att förbättra styrka- och felmotstånd i strukturella material såväl som belägger med metall in att bilda bearbetar.

Den primära mekaniska rekvisitan som påverkas av crystal plasticity, är resåret begränsar, den tänjbara medgörligheten, som inkluderar anstränga-att hårdna fenomen, och hårdheten. Kontrollera över storleksanpassa av microstructural särdrag på olika längdfjäll, liksom korn och påskyndar, har haft många lyckade resultat, i att öka styrka i bulk crystalline heltäckande. Remarkably har sädes- experiment vid Brenner i 50-tal också bevisat, att styrkan av mikrometer-fjäll, hoppa av-fria crystalline glödtrådar eller whiskers deformerade i spänning kunde vara en åtminstone beställer av mer stor storlek, än det av deras bulk motstycken via storleksanpassar förminskning2.

I Dag är denna grundaspekt relevant för miniaturized applikationer liksom mikro-elektromekaniska system (MEMS), därför att det är nödvändigt att skapa robustt crystalline filmar på under-mikrometern längdfjäll för att se till att sådan apparater utför väl med tiden. På nanoscalen ligger mer spännande applikationer, i att ha kontakt metalliska nanostructures för låg-dimensionell materialnågot liknande till biomolecules och celler för cancerterapi3. Metalliska nanowires kan vara van vid vägleder elektromagnetiska utstrålningar eller plasmons för avkänning av applikationer och på-gå i flisor optisk dataöverföring4. De kan också röran tillsammans skapa komplexa heltäckande strukturerar vid mekanisk behandlig5. En preciseraöverenskommelse av belägger med metall plasticity på det förminskande längdfjäll är av betydlig betydelse för sådan applikationer.

Signifikansen av storleksanpassar verkställer på mekanisk rekvisita på den startade nanoscalen long har long känts igen efter nanotechnologyeraen [6]. Idén, att, för materialrekvisita, världen av nanoscalen inte är enkelt enbesegra version av macroscalen, är nu väletablerad. I synnerhet har nytt framsteg visat det förutom microstructure, ytbehandlar lek en huvudroll i crystal plasticity för nanoscale, och dess storleksanpassa beroende. I efter, ska Jag bruk som var guld- som ett exempel för att illustrera hur ytbehandlar får effekt dramatiskt på crystal plasticity och styrka på nanoscalen. Till detta avsluta, det måste minnas att rent guld- är ett av de mest mjuk belägger med metall med ett maximum tänjbar styrka av MPa ~120.

Storleksanpassa vs. Förskjutningar

I 2004 strålar Uchic7 o.a. först återbesökte Brenners klassikerexperiment, genom plastically att deformera micropillars som göras från fokusera-jonen, (FIB) malning av metalliska singel-kristaller. Detta att närma sig har visat att cylindriska guld- kristaller av 245 nm i diameter ställde ut en tänjbar styrka av MPa 360, dvs., tre tider styrkan av bulk guld-8.

FIB-bearbetade med maskin metalliska nanostructures är bekant att äga preexisting fodrar hoppar av, kallat förskjutningar, tack vare den initiala crystal microstructuren, och FIB-framkallat ytbehandla skada. Som förskjutningar är de primära bärarna av plasticity belägger med metall in, segrar den därför för att karakterisera påverkan av förskjutningtätheter på plast- flödesspänningar, och den bakomliggande förskjutningen bearbetar i nanoscalekristaller under deformering.

För det ämna, förgångna datorsimuleringar av förskjutningdynamik har avslöjt en ny storleksanpassa-anhörig som hårdnar mekanismen som medlas av fritt, ytbehandlar i metalliska pelare för submicrometeren som ses till som källa-trunkering att hårdna9. Detta processaa motsvarar till avbrottet av preexisting förskjutning kretsar skära det fritt ytbehandlar för att bilda kortare singel-beväpnar källor, som hålls inaktiva, tills det finns en tillräcklig löneförhöjning i den applicerade spänningen. En understödja ytbehandla-medlad mekanism som hårdnar vid förskjutningsvält, var föreslagen, när klassa av förskjutningflykten på fritt ytbehandlar finnas för att överskrida det för förskjutningmultiplikation, till graden att plast- deformering blir källa-begränsad10.

Storleksanpassa vs. Tvilling- Gränser

Guld- nanowires som är fullvuxna vid underifrånperspektiv från, blöter kemisk tillväxt, eller läkarundersökningavlagring är typisk mindre än 100 nm i diameter och hoppa av-fria kristaller. I teori gör detta dem idealsystem för att att närma sig ultrahigh strykor. Och reglerat av det lokaliserade crystal snedsteget som är initierat från det fritt, ytbehandla, Därför Att sådan lilla volymer inte kan lätt lagra förskjutningar, är att bryta quasi-bräckligt11. Ändå uppstår finnas att koppla samman ubiquitously under crystal tillväxt för nanoscale och för att förbättra crystal plasticity i guld- nanowires.

Figurera 1 visar schematically olika typer av kopplade samman microstructures som försöksvis observeras i guld- nanowires från, blöter kemi. Storskaliga molekylära dynamiksimuleringar har avslöjt i förflutnan, att tillägget av nanoscale kopplar samman till guld- nanowires kan agera till endera förhöjning eller minskning deras motstånd till snedsteget i spänning, beroende av både tar prov diametern och numrerar av kopplar samman per enhetslängd12,13.

Figurera 1: Olika typer av kopplade samman microstructures som observeras i fullvuxna guld- nanowires blöter by, kemi. (a) Hoppa av-Fri cirkulärnanowire. (b) Periodvis-Kopplad samman cirkulärnanowire med göra mellanslag för gräns för konstant tvilling- (TBS). (c) ytbehandlar Periodvis-Kopplad samman nanowire med sicksack morfologi som göras av {111} fasetterar och konstanten TBS.

Också observerades en korövergång från quasi-bräckligt uppförande till viktigt anstränga-hårdna och ultrahigh plast- flödesspänningar i periodvis-kopplade samman guld- nanowires för ett riktigt förhållande av den tvilling- gränsen som görar mellanslag (TBS) till diametern14,15. För anföra som exempel, Figurera 2 shows som detjämna simuleringskortet för enkopplad samman guld- nanowire deformerade i spänning vid ductile bryter. I detta fall viktigt verkställer anstränga-hårdna tack vare blockeringen av det crystal snedsteget av preexisting tvilling- gränser ägde rum. Detta orsakade maximat tänjbar styrka till löneförhöjningen till 3,2 GPa, det är mer än 25 tider större än den bulk tänjbara styrkan.

Figurera 2: Atom--Jämna datorsimulering av plast- deformering och ductile bryter i enkopplad samman guld- nanowire under ren spänning.

Storleksanpassa vs. Ytbehandlar Morfologi

Macroscopically medges det i hög grad att ytbehandla hoppar av agerar till minskning som spänningen krävde för förskjutningdet att bilda en kärna och thus resåret begränsar. Nya atomistic simuleringar, emellertid, har precis förutsagt en motsatstrend i guld- nanowires. Specifikt fanns det, att den tänjbara styrkan av guld- nanowires med komplexa sicksackmorfologier som består av {111} ytbehandlar fasetterar, liknande till det som in visas Figurerar 1c, kan vara mer än, 45 tider större, än det av bulk guld-, som motsvarar till near-ideal spänningen, jämnar (5,5 GPa)16.

Dessutom har andra simuleringar visat att en dramatisk minskning anstränga-klassar in känslighet på olika temperaturer i dessa periodvis-kopplade samman sicksackAunanowires i hoppa av-fria Aunanowires för jämförelse med cirkulärtvärsnittet17. Detta uppförande är tydligt olikt från det som observeras allmänt i i stora partier vända mot-centrerat kubik belägger med metall likt guld- var inledning av nanoscale kopplar samman markant känslighet för förhöjningavkastningspänning för anstränga-att klassa. Ytbehandla att fasettera i kopplade samman Aunanowires ger löneförhöjning till ett nytt eftergivent processaa tillhörande med det att bilda en kärna, och förökningen av fulla förskjutningar längs {001} <110>-snedstegsystem, i stället för det partiska snedsteget för allmänningen som {111} <112> observeras i vända mot-centrerat kubik, belägger med metall. I summariskt föreslår ytbehandlar dessa simuleringar, att sakkunniga hoppar av liksom kopplar samman och fasetterar kan användas för att att närma sig idealstyrkan av guld- i nanowires.

Bekräftelse

Service från U.S.-Nationalet Science Foundation (anslags- DMR-0747658) och datorresurserna av Vermont Avancerade Beräknande Center bekräftas tacksamt.


Hänvisar till

  1. Frenkel J., Festigkeit för der för Zur Theorie derElastizitätsgrenze und kristallinischer Körper. Zeitschrift für Physik, 1926. 37: p. 572-609.
  2. Brenner, S.S., Tillväxt och Rekvisita av ”Whiskers”. Vetenskap 1958. 128(3324): p. 569-575.
  3. Gao, J. och B. Xu, Applikationer av nanomaterialsinsidaceller. Nano Today 2009. 4(1): p. 37-51.
  4. Lal, S., S. Anknyta och New Jersey Halas, Nano-Optik från avkänning till waveguiding. Natur Photonics, 2007. 1(11): p. 641-648.
  5. Lu Y., o.a., Kall svetsning av ultrathin guld- nanowires. NaturNanotechnology, 2010. 5(3): p. 218-224.
  6. Ratner, M. och D. Ratner, Nanotechnology: En stillainledning till den nästa stora idén. 2002: Prentice Hall. 208.
  7. Uchic M.D., Tar Prov o.a. dimensionerar påverkanstyrka och kristallplasticity. Vetenskap 2004. 305(5686): p. 986-989.
  8. Kim, för J.Y. och J.R. Greer, Tänjbart och compressive uppförande av guld- och molybdenumsingelkristaller på nano-fjäll. Acta Materialia, 2009. 57(17): p. 5245-5253.
  9. Parthasarathy T.A., o.a., Bidraget som ska storleksanpassas, verkställer av avkastningstyrka från stochasticsen av förskjutningkälllängder i finite tar prov. Scripta Materialia, 2007. 56(4): p. 313-316.
  10. Greer, J.R. och W.D. Säga nej till, Nanoscale guld- pelare förstärkte till och med förskjutningsvält. Läkarundersökningen Granskar B, 2006. 73(24): p. 245410.
  11. Richter G., o.a., Ultrahigh StyrkaSingel Crystalline Nanowhiskers som är Fullvuxen vid LäkarundersökningDunstAvlagring. Nano Märker, 2009. 9(8): p. 3048-3052.
  12. Deng, C. och F. Sansoz, Storleksanpassa-Anhörig avkastningspänning i kopplade samman guld- nanowires som medlas av plats-närmare detalj, ytbehandlar förskjutningutsläpp. Den Applicerade Fysiken Märker, 2009. 95(9): p. 091914.
  13. Deng, C. och F. Sansoz, Motbjudande styrka av den tvilling- gränsen på krökt förskjutningar och dess roll på det eftergivent av kopplade samman nanowires. Scripta Materialia, 2010. 63(1): p. 50-53.
  14. Deng, C.- och F. Sansoz, Grundskillnader i plasticityen av periodvis kopplade samman nanowires i Au, Ag, Al, Cu, Pb och Ni. Acta Materialia, 2009. 57(20): p. 6090-6101.
  15. Deng, C. och F. Sansoz och att Möjliggöra Ultrahigh Plast- Flöde och Arbete som Hårdnar i Kopplade Samman Guld- Nanowires. Nano Märker, 2009. 9(4): p. 1517-1522.
  16. Deng, C. och F. Sansoz, Near-Ideal Styrka i Guld- Nanowires som Uppnås till och med Microstructural Design. Nano ACS, 2009. 3(10): p. 3001-3008.
  17. Deng, C. och F. Sansoz, Verkställer av tvilling- och ytbehandlar fasetterar anstränga-klassar på känslighet av guld- nanowires på olika temperaturer. Läkarundersökningen Granskar B, 2010. 81(15): p. 155430.

Ta Copyrightt på AZoNano.com, Professorn Frederic Sansoz (Universitetar av Vermont)

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

Last Update: 14. June 2013 04:48

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