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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 研究小組佛蒙特的大學教授
對應的作者: frederic.sansoz@uvm.edu

水晶材料例如進行在形狀上的金子一個永久性變化,當機械上裝載是水晶可塑性的結果。 理想的力量的科學查詢在水晶的塑料變形是研究的重點差不多 90 年1。 在此域的預付款有改進力量和故障阻力的許多重要技術涵義在結構上的材料,以及在形成進程的金屬。

水晶可塑性的影響的主要機械性能是彈性極限、拉伸延展性,包括張力硬化現象和堅硬。 對微結構功能的範圍的控制在不同的長度縮放比例的,例如穀物和沉澱物,在增添有許多成功的結果力量散裝水晶固體。 卓越地,由 Brenner 的精液實驗在 20 世紀 50 年代也證明,在緊張或者頰鬚扭屈的力量測微表縮放比例、無瑕疵的水晶細絲比那可能是至少一個數量級極大他們的批量副本通過尺寸減小2

今天,此根本方面為小型化的應用是相關的例如微電動機械的系統 (MEMS),因為創建在子測微表長度縮放比例的穩健水晶影片是重要為了保證這樣設備執行遠遠超出時間。 在 nanoscale,更加扣人心弦的應用在連接在像金屬 nanostructures 的低尺寸癌症療法的材料對原生質和細胞3。 金屬 nanowires 可以用於引導電磁輻射或胞質基因感覺的應用和在籌碼光學數據傳輸量4。 他們可以一起也束縛由機械處理創建複雜固定的結構5。 對在減少的長度縮放比例的金屬可塑性的準確的瞭解是這樣應用的嚴重的重要。

尺寸效應的意義對機械性能的在從納米技術時代長期被認可了開始的 nanoscale [6]。 這個想法,為有形資產, nanoscale 的世界不是這個大規模的縮減版本現在是源遠流長的。 特別是,除微結構、表面作用在 nanoscale 水晶可塑性的一個關鍵角色和其範圍依賴性之外,最近進展顯示了那。 在下面我將使用金子为例說明表面如何對水晶可塑性和力量顯著影響在 nanoscale。 為此,必須切記純金子是其中一種與 ~120 MPa 最大抗拉強度的最軟的金屬。

範圍與脫臼

在 2004年, Uchic 通過7 塑料扭屈由集中離子射線碾碎做的 micropillars 首先等再訪了 Brenner 的經典 (FIB)實驗金屬單一水晶。 此途徑向顯示圓柱形金水晶 245 毫微米直徑陳列了 360 MPa 抗拉強度,即,三倍批量金子力量8

小謊用機器製造的金屬 nanostructures 知道擁有事先存在的線路缺陷,稱脫臼,由於最初的水晶微結構和小謊誘發的表面缺陷。 因為脫臼是可塑性主要承運人在金屬的,因此它戰勝分析位錯密度對塑性流動重點和在 nanoscale 水晶的基礎脫臼進程的影響在變形下。

对該目的,脫臼動力的過去計算機模擬顯示了在指來源截斷硬化 submicrometer 金屬柱子的自由表面斡旋的一個新的範圍從屬的硬化的結構9。 此進程對應於相交自由表面的中斷事先存在的脫臼循環形成更短的單一胳膊來源,被保持非活動,直到有在這個應用的重點的滿足的上升。 第二個表面斡旋的結構,硬化由脫臼缺乏,建議,當在自由表面發現脫臼換碼的費率超出那脫臼增殖的時,在某種程度上塑料變形變得來源有限10

範圍與雙限定範圍

從濕化工增長或實際證言的自下向上途徑增長的金 nanowires 少於 100 毫微米典型地是直徑和無瑕疵的水晶。 在原理上,這做他們處理的超離頻的力量理想的系統。 由於這樣小的數量不可能容易地存儲脫臼,破裂是類似易碎和管理由從自由表面啟動的局限化的水晶清單11。 然而,孿生發生普遍存在地在 nanoscale 晶體成長期間和被發現改進在金 nanowires 的水晶可塑性。

圖 1 概要地顯示在從濕化學的金 nanowires 實驗觀察的被孿生的微結構的不同的類型。 大規模分子動力學模擬以前表示 nanoscale 孿生的添加對金 nanowires 的可能操作到增量或根據範例孿生的直徑和編號減少他們的對清單的阻力在緊張,每個單位長度12,13

圖 1 : 在金 nanowires 觀察的被孿生的微結構的不同的類型增長由濕化學。 (a) 無瑕疵的圓的 nanowire。 (b) 與恆定的雙限定範圍間隔的週期性被孿生的圓的 nanowire (TBS)。 (c) 與之字形表面形態學的週期性被孿生的 nanowire 由 {111 個} 小平面和恆定的 TBS 做成。

並且,從類似易碎的工作情況的一個鋒利的轉移與重大張力硬化和超離頻的塑性流動重點在週期性被孿生的金 nanowires 被觀察了對空間雙限定範圍一個適當的比例 (TBS)對直徑14,15。 例如,圖 2 在緊張顯示柔軟破裂扭屈的一週期性被孿生的金 nanowire 的基本級的模擬快照。 在這種情況下,重大的張力硬化的作用由於水晶清單封鎖由事先存在的雙限定範圍進行了。 這大於批量抗拉強度造成最大抗拉強度上升到 3.2 GPa,那超過 25 次。

圖 2 : 塑料變形和柔軟破裂的基本級的計算機模擬在一週期性被孿生的金 nanowire 在純緊張下。

範圍與表面形態學

宏觀地,主要被承認表面損壞操作減少對於脫臼生核和因而彈性極限是必需的這個重點。 最近原子論模擬,然而,預測在金 nanowires 的一個相反的趨勢。 特別地,發現金 nanowires 抗拉強度與包括 {111 個} 表面小平面的複雜之字形形態學的,類似於在圖顯示的那 1c 上,大於那可以超過 45 次批量金子,對應於近理想的壓力水平 (5.5 GPa)16

此外,與與圓的橫斷面的無瑕疵的澳大利亞 nanowires 比較其他模擬顯示了在張力比率區分的嚴重的減少在不同的溫度在這些週期性被孿生的之字形澳大利亞 nanowires17。 此工作情況是明顯與散裝像金子的表面被集中的立方體金屬一般觀察的那不同 nanoscale 的簡介哪裡孿生極大增加屈服應力區分對張力比率。 表面雕琢平面在被孿生的澳大利亞 nanowires 提升一新穎產生的處理關聯與充分的脫臼的生核和傳送沿 {001 個} <110> 清單系統的,而不是在表面被集中的立方體金屬觀察的公用 {111 本} <112> 部分清單。 總之,這些模擬建議特殊缺陷例如孿生和表面小平面可以使用處理金子理想的力量在 nanowires 的。

鳴謝

從美國國家科學基金會 (授予 DMR-0747658) 的技術支持和佛蒙特提前的計算中心的計算機資源感恩地被承認。


參考

  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.、 「頰鬚」增長和屬性。 Science, 1958年。 128(3324) : p. 569-575。
  3. 高、 J. 和 B. Xu, nanomaterials 的應用在細胞裡面的。 納諾今天 2009年。 4(1) : p. 37-51。
  4. Lal、 S.、 S. Link 和新澤西 Halas,從感覺的納諾光學到 waveguiding。 本質 Photonics, 2007年。 1(11) : p. 641-648。
  5. Lu, Y.,等,超薄的金 nanowires 冷銲。 本質納米技術, 2010年。 5(3) : p. 218-224。
  6. Ratner、 M. 和 D. Ratner,納米技術: 下個大想法柔和的簡介。 2002年: 學徒霍爾。 208.
  7. Uchic, M.D.,等,範例維數影響力量和水晶可塑性。 科學, 2004年。 305(5686) : p. 986-989。
  8. 金和鉬單晶金、 J.Y. 和 J.R. Greer,拉伸和壓縮工作情況在納諾縮放比例的。 學報 Materialia, 2009年。 57(17) : p. 5245-5253。
  9. Parthasarathy, T.A.,等,對出產量的尺寸效應的攤繳從脫臼在有限的範例的來源長度 stochastics 的。 Scripta Materialia, 2007年。 56(4) : p. 313-316。
  10. Greer、 J.R. 和 W.D. Nix, Nanoscale 通過脫臼缺乏被加強的金柱子。 實際覆核 B, 2006年。 73(24) : p. 245410。
  11. Richter, G.,等,超離頻的力量唯一水晶 Nanowhiskers 增長由實際蒸氣噴鍍。 納諾信函, 2009年。 9(8) : p. 3048-3052。
  12. 鄧、 C. 和 F. Sansoz,在站點特定表面脫臼放射斡旋的被孿生的金 nanowires 的範圍從屬的屈服應力。 應用物理學信函, 2009年。 95(9) : p. 091914。
  13. 鄧、 C. 和 F. Sansoz,雙限定範圍和其在產生的角色排斥力在彎曲的脫臼的被孿生的 nanowires。 Scripta Materialia, 2010年。 63(1) : p. 50-53。
  14. 鄧、 C. 和 F. Sansoz,在澳大利亞的週期性地被孿生的 nanowires 可塑性上的根本差別, Ag、 Al、古芝、鉛和 Ni。 學報 Materialia, 2009年。 57(20) : p. 6090-6101。
  15. 鄧、 C. 和 F. Sansoz,啟用超離頻塑性流動和功致硬化在被孿生的金子 Nanowires。 納諾信函, 2009年。 9(4) : p. 1517-1522。
  16. 鄧、 C. 和 F. Sansoz,通過微結構設計在金子 Nanowires 的近理想的力量達到的。 納諾的 ACS, 2009年。 3(10) : p. 3001-3008。
  17. 鄧、 C. 和 F. Sansoz,孿生和表面小平面的作用對金 nanowires 張力比率區分在不同的溫度的。 實際覆核 B, 2010年。 81(15) : p. 155430。

版權 AZoNano.com,弗雷德里克 Sansoz (佛蒙特的大學教授)

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

Last Update: 14. June 2013 03:58

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