Nanoscale 水晶可塑性: 上升到表面

由弗雷德里克 Sansoz 教授

弗雷德里克 Sansoz, Sansoz 研究小组佛蒙特的大学教授
对应的作者: frederic.sansoz@uvm.edu

水晶材料例如进行在形状上的金子一个永久性变化,当机械上装载是水晶可塑性的结果。 理想的力量的科学查询在水晶的塑料变形是研究的重点差不多 90 年1。 在此域的预付款有改进力量和故障阻力的许多重要技术涵义在结构上的材料,以及在形成进程的金属。

水晶可塑性的影响的主要机械性能是弹性极限、拉伸延展性,包括张力硬化现象和坚硬。 对微结构功能的范围的控制在不同的长度缩放比例的,例如谷物和沉淀物,在增添有许多成功的结果力量散装水晶固体。 卓越地,由 Brenner 的精液实验在 20 世纪 50 年代也证明,在紧张或者颊须扭屈的力量测微表缩放比例、无瑕疵的水晶细丝比那可能是至少一个数量级极大他们的批量副本通过尺寸减小2

今天,此根本方面为小型化的应用是相关的例如微电动机械的系统 (MEMS),因为创建在子测微表长度缩放比例的稳健水晶影片是重要为了保证这样设备执行远远超出时间。 在 nanoscale,更加扣人心弦的应用在连接在象金属 nanostructures 的低尺寸癌症疗法的材料对原生质和细胞3。 金属 nanowires 可以用于引导电磁辐射或胞质基因感觉的应用和在筹码光学数据传输量4。 他们可以一起也束缚由机械处理创建复杂固定的结构5。 对在减少的长度缩放比例的金属可塑性的准确的了解是这样应用的严重的重要。

尺寸效应的意义对机械性能的在从纳米技术时代长期被认可了开始的 nanoscale [6]。 这个想法,为有形资产, nanoscale 的世界不是这个大规模的缩减版本现在是源远流长的。 特别是,除微结构、表面作用在 nanoscale 水晶可塑性的一个关键角色和其范围依赖性之外,最近进展显示了那。 在下面我将使用金子为例说明表面如何对水晶可塑性和力量显著影响在 nanoscale。 为此,必须切记纯金子是其中一种与 ~120 MPa 最大抗拉强度的最软的金属。

范围与脱臼

在 2004年, Uchic 通过7 塑料扭屈由集中离子射线碾碎做的 micropillars 首先等再访了 Brenner 的经典 (FIB)实验金属单一水晶。 此途径向显示圆柱形金水晶 245 毫微米直径陈列了 360 MPa 抗拉强度,即,三倍批量金子力量8

小谎用机器制造的金属 nanostructures 知道拥有事先存在的线路缺陷,称脱臼,由于最初的水晶微结构和小谎诱发的表面缺陷。 因为脱臼是可塑性主要承运人在金属的,因此它战胜分析位错密度对塑性流动重点和在 nanoscale 水晶的基础脱臼进程的影响在变形下。

对该目的,脱臼动力的过去计算机模拟显示了在指来源截断硬化 submicrometer 金属柱子的自由表面斡旋的一个新的范围从属的硬化的结构9。 此进程对应于相交自由表面的中断事先存在的脱臼循环形成更短的单一胳膊来源,被保持非活动,直到有在这个应用的重点的满足的上升。 第二个表面斡旋的结构,硬化由脱臼缺乏,建议,当在自由表面发现脱臼换码的费率超出那脱臼增殖的时,在某种程度上塑料变形变得来源有限10

范围与双限定范围

从湿化工增长或实际证言的自下向上途径增长的金 nanowires 少于 100 毫微米典型地是直径和无瑕疵的水晶。 在原理上,这做他们处理的超离频的力量理想的系统。 由于这样小的数量不可能容易地存储脱臼,破裂是类似易碎和管理由从自由表面启动的局限化的水晶清单11。 然而,孪生发生普遍存在地在 nanoscale 晶体成长期间和被发现改进在金 nanowires 的水晶可塑性。

图 1 概要地显示在从湿化学的金 nanowires 实验观察的被孪生的微结构的不同的类型。 大规模分子动力学模拟以前表示 nanoscale 孪生的添加对金 nanowires 的可能操作到增量或根据范例孪生的直径和编号减少他们的对清单的阻力在紧张,每个单位长度12,13

图 1 : 在金 nanowires 观察的被孪生的微结构的不同的类型增长由湿化学。 (a) 无瑕疵的圆的 nanowire。 (b) 与恒定的双限定范围间隔的周期性被孪生的圆的 nanowire (TBS)。 (c) 与之字形表面形态学的周期性被孪生的 nanowire 由 {111 个} 小平面和恒定的 TBS 做成。

并且,从类似易碎的工作情况的一个锋利的转移与重大张力硬化和超离频的塑性流动重点在周期性被孪生的金 nanowires 被观察了对空间双限定范围一个适当的比例 (TBS)对直径14,15。 例如,图 2 在紧张显示柔软破裂扭屈的一周期性被孪生的金 nanowire 的基本级的模拟快照。 在这种情况下,重大的张力硬化的作用由于水晶清单封锁由事先存在的双限定范围进行了。 这大于批量抗拉强度造成最大抗拉强度上升到 3.2 GPa,那超过 25 次。

图 2 : 塑料变形和柔软破裂的基本级的计算机模拟在一周期性被孪生的金 nanowire 在纯紧张下。

范围与表面形态学

宏观地,主要被承认表面损坏操作减少对于脱臼生核和因而弹性极限是必需的这个重点。 最近原子论模拟,然而,预测在金 nanowires 的一个相反的趋势。 特别地,发现金 nanowires 抗拉强度与包括 {111 个} 表面小平面的复杂之字形形态学的,类似于在图显示的那 1c 上,大于那可以超过 45 次批量金子,对应于近理想的压力水平 (5.5 GPa)16

此外,与与圆的横断面的无瑕疵的澳大利亚 nanowires 比较其他模拟显示了在张力比率区分的严重的减少在不同的温度在这些周期性被孪生的之字形澳大利亚 nanowires17。 此工作情况是明显与散装象金子的表面被集中的立方体金属一般观察的那不同 nanoscale 的简介哪里孪生极大增加屈服应力区分对张力比率。 表面雕琢平面在被孪生的澳大利亚 nanowires 提升一新颖产生的处理关联与充分的脱臼的生核和传送沿 {001 个} <110> 清单系统的,而不是在表面被集中的立方体金属观察的公用 {111 本} <112> 部分清单。 总之,这些模拟建议特殊缺陷例如孪生和表面小平面可以使用处理金子理想的力量在 nanowires 的。

鸣谢

从美国国家科学基金会 (授予 DMR-0747658) 的技术支持和佛蒙特提前的计算中心的计算机资源感恩地被承认。


参考

  1. Frenkel, J., Zur Theorie der Elastizitätsgrenze und der Festigkeit kristallinischer Körper。 Zeitschrift für Physik, 1926年。 37 : p. 572-609。
  2. Brenner、 S.S.、 “颊须”增长和属性。 Science, 1958年。 128(3324) : p. 569-575。
  3. 高、 J. 和 B. Xu, nanomaterials 的应用在细胞里面的。 纳诺今天 2009年。 4(1) : p. 37-51。
  4. Lal、 S.、 S. Link 和新泽西 Halas,从感觉的纳诺光学到 waveguiding。 本质 Photonics, 2007年。 1(11) : p. 641-648。
  5. Lu, Y.,等,超薄的金 nanowires 冷焊。 本质纳米技术, 2010年。 5(3) : p. 218-224。
  6. Ratner、 M. 和 D. Ratner,纳米技术: 下个大想法柔和的简介。 2002年: 学徒霍尔。 208.
  7. Uchic, M.D.,等,范例维数影响力量和水晶可塑性。 科学, 2004年。 305(5686) : p. 986-989。
  8. 金和钼单晶金、 J.Y. 和 J.R. Greer,拉伸和压缩工作情况在纳诺缩放比例的。 学报 Materialia, 2009年。 57(17) : p. 5245-5253。
  9. Parthasarathy, T.A.,等,对出产量的尺寸效应的摊缴从脱臼在有限的范例的来源长度 stochastics 的。 Scripta Materialia, 2007年。 56(4) : p. 313-316。
  10. Greer、 J.R. 和 W.D. Nix, Nanoscale 通过脱臼缺乏被加强的金柱子。 实际复核 B, 2006年。 73(24) : p. 245410。
  11. Richter, G.,等,超离频的力量唯一水晶 Nanowhiskers 增长由实际蒸气喷镀。 纳诺信函, 2009年。 9(8) : p. 3048-3052。
  12. 邓、 C. 和 F. Sansoz,在站点特定表面脱臼放射斡旋的被孪生的金 nanowires 的范围从属的屈服应力。 应用物理学信函, 2009年。 95(9) : p. 091914。
  13. 邓、 C. 和 F. Sansoz,双限定范围和其在产生的角色排斥力在弯曲的脱臼的被孪生的 nanowires。 Scripta Materialia, 2010年。 63(1) : p. 50-53。
  14. 邓、 C. 和 F. Sansoz,在澳大利亚的周期性地被孪生的 nanowires 可塑性上的根本差别, Ag、 Al、古芝、铅和 Ni。 学报 Materialia, 2009年。 57(20) : p. 6090-6101。
  15. 邓、 C. 和 F. Sansoz,启用超离频塑性流动和功致硬化在被孪生的金子 Nanowires。 纳诺信函, 2009年。 9(4) : p. 1517-1522。
  16. 邓、 C. 和 F. Sansoz,通过微结构设计在金子 Nanowires 的近理想的力量达到的。 纳诺的 ACS, 2009年。 3(10) : p. 3001-3008。
  17. 邓、 C. 和 F. Sansoz,孪生和表面小平面的作用对金 nanowires 张力比率区分在不同的温度的。 实际复核 B, 2010年。 81(15) : p. 155430。

版权 AZoNano.com,弗雷德里克 Sansoz (佛蒙特的大学教授)

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

Last Update: 14. June 2013 03:54

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