澤攸科技TEM原位揭示金納米線彎曲變形與應(yīng)變恢復(fù)
日期:2024-08-06
在過去的幾十年中,金屬納米線因其獨(dú)特的物理、機(jī)械和化學(xué)性能,在納米電子學(xué)和納米機(jī)電系統(tǒng)(NEMS)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。金屬納米線展現(xiàn)出諸如顯著的彈性、超塑性和超高強(qiáng)度等優(yōu)異的力學(xué)特性,這使得它們成為許多高科技應(yīng)用的理想選擇。但當(dāng)這些納米線被集成到納米器件中時(shí),它們可能會(huì)遭受外部機(jī)械應(yīng)力的影響,尤其是在作為柔性可穿戴設(shè)備中的納米電路主要組成部分時(shí),需要承受反復(fù)彎曲的情況。然而盡管對納米線的拉伸-壓縮行為已有大量研究,但關(guān)于它們的彎曲變形行為,尤其是原子尺度的變形機(jī)制,仍然不完全清楚。文獻(xiàn)報(bào)道的金屬納米線的可逆彎曲應(yīng)變通常不超過約10%,這對于需要良好抗疲勞性能的應(yīng)用來說是一個(gè)限制因素。
針對上述問題,由浙江大學(xué)組成的研究團(tuán)隊(duì)利用澤攸科技TEM原位測量系統(tǒng)進(jìn)行了深入研究,這項(xiàng)研究通過原位納米力學(xué)測試結(jié)合原子模擬,探索了嵌入縱向?qū)\晶界的金納米線的變形行為,特別是在不同加載速率下的響應(yīng)。通過這項(xiàng)工作,研究團(tuán)隊(duì)揭示了在低加載速率下,堆垛層錯(cuò)(SFs)的運(yùn)動(dòng)及其與孿晶界的相互作用,以及在高加載速率下,高角度晶界(HAGBs)的形成及其可逆遷移在金納米線中占主導(dǎo)地位的機(jī)制。這些發(fā)現(xiàn)不僅增進(jìn)了對金屬納米線彎曲行為的理解,而且為設(shè)計(jì)具有改善疲勞抗力和大可恢復(fù)應(yīng)變能力的納米器件提供了新的啟示。
相關(guān)成果以"In Situ Observation of High Bending Strain Recoverability in Au Nanowires"為題發(fā)在了《Crystals》期刊上。全文鏈接:https://doi.org/10.3390/cryst13081159
論文的主要研究內(nèi)容是關(guān)于金納米線(Au NWs)在不同加載速率下的彎曲變形行為及其恢復(fù)性。研究團(tuán)隊(duì)通過原位納米力學(xué)測試與原子尺度模擬相結(jié)合的方法,對嵌有軸向雙晶界(TB)的金納米線進(jìn)行了詳細(xì)的研究。
研究發(fā)現(xiàn),這些金納米線在存在雙晶界的情況下,展現(xiàn)出高達(dá)27.5%的可恢復(fù)彎曲應(yīng)變。這一現(xiàn)象與加載速率密切相關(guān):在較低的加載速率下,可恢復(fù)的彎曲主要?dú)w因于堆垛層錯(cuò)(SFs)的運(yùn)動(dòng)及其與雙晶界的相互作用;而在較高的加載速率下,則是高角度晶界(GBs)的形成及其可逆遷移成為主導(dǎo)機(jī)制。
圖 可恢復(fù)應(yīng)變的金納米線在低加載速率下的表現(xiàn)
為了進(jìn)行實(shí)驗(yàn),研究團(tuán)隊(duì)利用透射電子顯微鏡(TEM)中的原位納米制造技術(shù)制備了金納米線,并對其進(jìn)行彎曲加載。加載過程中,探針被準(zhǔn)確控制以施加恒定的低(0.1 nm/s)或高(2 nm/s)加載速率的往復(fù)彎曲載荷。加載速率的改變導(dǎo)致了不同的應(yīng)力分布,進(jìn)而引起了變形結(jié)構(gòu)的差異。
在低加載速率下,堆垛層錯(cuò)均勻分布在整個(gè)樣本中,并在反向加載時(shí)主導(dǎo)了恢復(fù)過程。而在高加載速率下,高角度晶界的形成及它們的可逆遷移成為了控制變形的關(guān)鍵因素。雙晶界不僅作為晶界滑移的起點(diǎn)和終點(diǎn),還作為位錯(cuò)的形核點(diǎn),促進(jìn)了位錯(cuò)的積累和傳播,從而提高了材料的延展性和硬化能力。
圖 原位透射電子顯微鏡 (TEM) 圖像展示了通過晶界 (GB) 遷移介導(dǎo)的高可恢復(fù)應(yīng)變,它使含有雙晶界 (TB) 的納米線在高加載速率下展現(xiàn)出可恢復(fù)的彎曲
這項(xiàng)研究揭示了金納米線在不同加載速率下的變形機(jī)制,并展示了它們在往復(fù)彎曲載荷下的應(yīng)變恢復(fù)能力。這一成果為設(shè)計(jì)具有優(yōu)良抗疲勞性能和大應(yīng)變恢復(fù)能力的柔性電子材料提供了新的思路。
安徽澤攸科技有限公司作為中國本土的儀器公司,是原位電子顯微鏡表征解決方案的供應(yīng)商,推出的PicoFemto系列的原位透射電子顯微鏡表征解決方案,陸續(xù)為國內(nèi)外用戶的重磅研究成果提供了技術(shù)支持。下圖為本研究成果中用到的原位透射電鏡樣品桿:
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作者:澤攸科技