Mekanism för termomekanisk nanoformning (TMNM). (A) TMNM använder temperatur och mekaniskt tryck för att forma råmaterial till nanoformade arrayer. (B) Diskuterade materialtransportmekanismer på denna längdskala resulterar i olika längdskalning, L kontra d. Bulkdiffusion (Ekv. 1) resulterar i L(d) ∝ const, gränssnittsdiffusion ger L(d)∝1d√ (Ekv. 2), och, för en dislokationsglidmekanism, L(d) ∝dx (x ∈ [ 1,2]) (Ekv. 3). (C) L(d) skalningsexperiment avslöjar den temperaturberoende mekanismen för TMNM av Ag. Gränssnittsdiffusion dominerar TMNM vid höga temperaturer, T> 0,4 Tm, medan dislokationsglidning tar över vid låga temperaturer, T <0,4 Tm. (D) För att jämföra TMNM över olika system, normaliserar vi formningslängden L till L'=L/8pΩtkBT−−−−√. Absoluta värden av experimentellt bestämt L från Au, Ag och Cu antyder en gränssnittsdiffusionsmekanism. De överlagrade linjerna representerar storleken på normaliserad formlängd för gränssnittsdiffusion, (L′)2 =δDI/d och bulkdiffusion, (L′)2~DL/4 (sektion S3). (E och F) Bilder av Ag nanotrådar som motsvarar data i (C). Kredit:Science Advances, Doi:10.1126/sciadv.abi4567
Framsteg inom nanoteknik kräver utveckling av nanotillverkningsmetoder för en mängd olika tillgängliga material, element och parametrar. Befintliga metoder har inte specifika egenskaper och allmänna metoder för mångsidig nanotillverkning förblir svårfångade. I en ny rapport som nu publicerats i Science Advances , Naijia Liu, Guannan Liu och ett team av forskare inom maskinteknik och materialvetenskap vid Yale University och University of Connecticut i USA beskrev de underliggande mekanismerna för termomekanisk nanoformning för att avslöja ett mycket mångsidigt tillvägagångssätt för nanotillverkning. Utifrån resultaten kunde de reglera, kombinera och förutsäga förmågan att utveckla generella material med materialkombinationer och längdskalor. Det mekanistiska ursprunget till termomekanisk nanoformning och deras temperaturberoende övergång gav en process för att kombinera många material i nanostrukturer och tillhandahålla vilket material som helst i formbara former på nanoskala.
Termomekanisk nanoformning (TMNM)
Forskare måste utveckla metoderna för nanotillverkning för att utveckla nanoenheter som svar på de ständigt ökande kraven från applikationer på nanoskala. Det är därför idealiskt att underlätta en tillverkningsmetod som kan utveckla en rad material med olika egenskaper inklusive former, längder och en reglerad elementär nano-arkitektur. Kraven kan sträcka sig över olika områden, allt från optik, elektronik, biovetenskap och energiskörd till kvantmaterial. Medan forskare redan har utvecklat många metoder för att förverkliga sådana applikationer, är de flesta nanotillverkningsmetoder relativt begränsade. För att producera en mångsidig nanotillverkningsmetod som ger en process för att reglera storlek, form, kemi och elementfördelning inom nanotråden, måste forskarna få djupare insikter om de underliggande mekanismerna för tillverkning, längdreglering, sammansättningen av element och deras transport. Termomekanisk nanoformning (TMNM) är ett nyligen genomfört framsteg inom metaller som kan utforskas för nanotillverkning. I detta arbete har Liu et al. identifierade storleken och temperaturberoende underliggande mekanismerna för TMNM för att erbjuda en mängd olika material och materialkombinationer, såväl som elementfördelningar över en rad olika material.
Material och längdskalor som kan realiseras genom TMNM. (A) Uppskattad formlängd som funktion av formningsdimension vid mellanformningstemperatur visar övergången av den dominerande formningsmekanismen i TMNM från gränssnittsdiffusionskontrollerad till dislokationsglidning. TMNM kan tillverka ett stort antal längdskalor från 5 nm (Ag, L ~ 8 μm) kontrollerade av diffusion till millimeter (Au, ~1 mm) genom dislokation. (B) Au provhierarkiska strukturer som består av ett hexagonalt mikromönster (1 mm, genom dislokationsglidning) kombinerat med nanotrådsuppsättningar (250 nm, genom gränssnittsdiffusion). (C) Beräknat formningsförhållande (L/d) enligt ekv. 2 för gränssnittsdiffusion som funktion av temperatur för representativa material från metaller (blå), icke-metaller (orange), oxider/keramik (röd) och ordnade faser (grön) inklusive olika funktionella material. Kredit:Science Advances, Doi:10.1126/sciadv.abi4567
För att utveckla nanostrukturer, Liu et al. drev råvaran (råvaran) under ett applicerat tryck och förhöjd temperatur i en nanopönstrad hård form. De uppskattade bulkdiffusion, gränssnittsdiffusion och dislokationsglidning för att reglera denna process som underliggande mekanismer. För att identifiera de grundläggande mekanismerna för TMNM, analyserade forskarna formlängden kontra formningsförhållandena. Skalningen för bulk- och gränssnittsdiffusion är baserad på Ficks lag. De använde skalningsexperiment för att bestämma mekanismerna för TMNM för en given uppsättning bearbetningsparametrar för att avslöja diffusionsdominerad TMNM vid höga homologa temperaturer. Jämförelsevis, vid låga homologa temperaturer, dominerade mekanismen för dislokationsglidning TMNM. De experimentella fynden visade att antingen diffusions- eller dislokationsmekanism kunde beskrivas bättre via en överlagring av båda mekanismerna. Övergångarna i mekanismerna som styr TMNM inträffade inte bara med temperatur enbart, utan också med formningsstorlek. Med hjälp av metoden utvecklade teamet ultratunna nanotrådar ned till 5 nm i diameter via diffusion. Det var dock utmanande att utveckla formar med mindre diameter. För att bilda trådar med mindre diameter använde de en dislokationsgliddominerad TMNM. På detta sätt kunde forskarna använda en enstegsformningsprocess för att utveckla både mikro- och nanofunktioner baserade på dislokationsgliddominerade mekanismer respektive en interface-diffusionsmekanism. Metoden möjliggör också mångsidighet över en rad material inklusive rena metaller, icke-metalliska element, oxider och keramik.
TMNM med flerskiktsråvara. (A och B) Heterostruktur nanotrådar tillverkas när man använder skikt som råmaterial. Här använder vi Ag/Cu-lager som exempel. De tillverkade heterostrukturerna är med distinkta regioner av väsentligen ren Ag och Cu. Vid användning av Ag/Cu-skiktad struktur med Ag-skikt vänd mot formen och Cu bort från formen, är ordningen i nanotrådarna med heterostruktur identisk med ordningen i råvaran (A). När man använder en Cu/Ag-skiktad struktur med Cu-skiktet vänd mot formen och Ag bort från formen, har emellertid ordningen i heterostrukturnanotrådarna (Ag─Cu) omvänt jämfört med den för råvaran Cu/Ag (B). (C) Temperaturberoende formningsmekanismer för Ag och Cu där övergångstemperaturen (Ttr) visas, vilket indikerar övergången från dislokationsgliddominerad till en gränssnittsdiffusionsdominerad formningsmekanism. I fallet med (A) och (B) resulterar den högre gränssnittsdiffusionsförmågan i Ag i lägre Ttr än Cu. En formningstemperatur av Ttr, Ag
Utveckling av heterostrukturer
De experimentella förhållandena gjorde det också möjligt för teamet att reglera elementfördelningarna och bilda en rad heterostruktur-nanotrådar, med särskilt intresse för många applikationer, inklusive nanoenheter med funktionsprinciper som förlitar sig på funktionella gränssnitt, fotodetektorer, fälteffekttransistorer och lysdioder. För att visa utvecklingen av heterostruktur nanotrådar med hjälp av TMNM, inkorporerade teamet koppar (Cu) och silver (Ag) lager och övervägde olika ordningar av dessa lager i råmaterialet. De visade hur diffusionsdominerad TMNM bildade nanotrådar av enkristallstrukturer, medan nanotrådar som bildades via dislokationsglidning var polykristallina eller bibehöll en "bambu"-kornstruktur. Liu et al. studerade ytterligare Cu-Ag-heterostrukturerna och Ag/Cu-gränssnittet med användning av transmissionselektronmikroskopi. Resultaten visade ett skarpt och rent gränssnitt mellan silver och koppar.
TMNM som en verktygslåda för att styra elementfördelningar. Utbudet av elementfördelningar som kan uppnås genom TMNM med hjälp av legeringar eller skiktad struktur som råmaterial. Genom att använda råmaterial med olika materialkombinationer och överväga deras relativa diffusiviteter och kontrollera formningsmekanismer (gjutning över eller under Ttr) för varje komponent, kan vi kontrollera kemin och strukturen hos nanotrådarna. I de 11 uppräknade fallen används homogena legeringar och skiktat råmaterial. Deras relativa diffusiviteter och Ttr för de inblandade elementen i förhållande till formningstemperaturen definierar elementfördelningen inom nanotråden. Detta kan vara en homogen legering (i till iii), enkla element (iv till vii) eller heterostruktur nanotrådar (viii till xi). Den nedre raden visar exempelsystem för de specifika fallen. Kredit:Science Advances, Doi:10.1126/sciadv.abi4567
Outlook
På detta sätt visade Naijia Liu och kollegor möjligheten att reglera elementfördelningen på nanotråden genom att designa bearbetnings- och materialegenskaperna med hjälp av TMNM-processen (termomekanisk nanoformning) för att uppnå mångsidiga nanostrukturer. En aspekt av experimentet inkluderade råmaterialet, som kunde legeras eller göras till skiktade strukturer. Teamet ansåg den relativa diffusiviteten hos elementen för att definiera deras närvaro i råmaterialet. Genom att använda tekniken, Liu et al. kunde utveckla en homogen legering nanotråd. De lyfte fram hur de underliggande mekanismerna för TMNM var baserade på temperatur- och storleksberoende övergångar. Till exempel, med höga temperaturer och små storleksvariationer, berodde metoden på diffusion vid gränsytan mellan materialet och formen. Vid större storlek och låg temperatur dominerade mekanismen för dislokationsglidning resultatet. Den beskrivna tekniken för termomekanisk nanoformning är ett kraftfullt paradigmskifte för att implementera nanoapplikationer med önskade funktioner på nanoskala. + Utforska vidare
© 2021 Science X Network
