Små ledninger ændrer adfærd på nanoskala

Tynde guldtråde, der ofte bruges i avancerede elektroniske applikationer, er vidunderligt fleksible såvel som ledende. Men disse kvaliteter gælder ikke nødvendigvis for de samme ledninger på nanoskala.

En ny undersøgelse fra Rice University finder, at guldtråde, der er mindre end 20 nanometer brede, kan blive "skøre-lignende" under stress. Det fremgår af journalen Avancerede funktionelle materialer.

Artiklen af ​​Rice Materials scientist Jun Lou og hans laboratorium viser i mikroskopiske detaljer, hvad der sker med nanotråde under den slags belastning, de med rimelighed ville gennemgå, for eksempel, fleksibel elektronik.

Deres teknik giver industrien mulighed for at se, hvordan nanotråde lavet af guld, sølv, tellurium, palladium og platin vil sandsynligvis holde stand i næste generations nanoelektroniske enheder.

Lou og hans team havde allerede fastslået, at metaltråde har unikke egenskaber på nanoskalaen. De vidste, at sådanne ledninger gennemgår omfattende plastisk deformation og derefter revner på både mikro- og nanoskala. I den proces, materialer under stress udviser "halsdannelse"; det er, de deformeres i et bestemt område og strækker sig derefter ned til et punkt, før de til sidst knækker.

"Guld er ekstremt duktilt, " sagde Lou, en adjunkt i maskinteknik og materialevidenskab. "Det betyder, at du kan strække det, og den kan modstå meget store forskydninger.

"Men i dette arbejde, vi opdagede, at guld ikke nødvendigvis er meget duktilt på nanoskala. Når vi understreger det på en lidt anden måde, vi kan danne en defekt kaldet en tvilling."

Udtrykket "twinning" kommer fra defektens spejllignende atomstruktur, hvilket er unikt for krystaller. "Ved grænsen, atomerne på venstre og højre side afspejler hinanden nøjagtigt, " sagde Lou. Tvillinger i nanotråde viser sig som mørke linjer hen over ledningen under et elektronmikroskop.

"Materialet er ikke ligefrem skørt, som glas eller keramik, hvilket brud med nej, eller meget lidt, duktilitet, " sagde han. "I dette tilfælde, vi kalder det skørt, hvilket betyder, at den har væsentligt reduceret duktilitet. Der er stadig nogle, men brudadfærden er forskellig fra almindelig halsudskæring."

Deres eksperimenter på 22 guldtråde på mindre end 20 nanometer involverede den delikate operation at klemme dem fast på et transmissionselektronmikroskop/atomic force mikroskop prøveholder og derefter trække dem ved konstante belastningshastigheder. Tvillinger dukkede op under forskydningskomponenten af ​​spændingen, hvilket tvang atomer til at flytte sig ved placeringen af ​​overfladedefekter og førte til en slags tektonisk fejl på nanoskala hen over ledningen.

"Når du først har den slags skadeinitieringssteder dannet i nanotråden, du vil have meget mindre duktilitet. Metallet vil brække for tidligt, " sagde Lou. "Vi havde ikke forventet, at sådanne tvillinggrænseformationer ville have så dybtgående virkninger."

Med den nuværende teknologi, det er næsten umuligt at justere gribepunkterne på begge sider af wiren, så forskydningskraft på nanotrådene var uundgåelig. "Men denne form for indlæsningstilstand vil uundgåeligt blive stødt på i den virkelige verden, " sagde han. "Vi kan ikke forestille os, at alle nanotrådene i en applikation vil blive stresset på en perfekt enakset måde."

Lou sagde, at resultaterne er vigtige for producenter, der tænker på at bruge guld som et nanomekanisk element. "Realistisk set du kan have en eller anden stressvinkel uden for aksen, og hvis disse tvillinger dannes, du ville have mindre duktilitet, end du ville forvente. Så skulle designkriterierne ændres.

"Det er dybest set det centrale budskab i dette papir:Lad dig ikke narre af den traditionelle definition af 'duktil, " sagde han. "På nanoskala, ting kan ske anderledes."