Miniaturiserede ultrasmå platincylindre svækkes, når deres bestanddele reduceres i antal

Miniaturisering af mikroskopiske metalliske objekter, mens de forbedrer deres styrke, er afgørende for at udvikle højtydende enheder, der integrerer transistorlignende elektronik med mekaniske komponenter. Når disse genstande består af små krystaller, eller korn, såsom polykrystallinske nanopillarer, deres mekaniske adfærd er svær at forudsige, fordi kornene varierer i størrelse og orientering. Forskere fra California Institute of Technology, USA, og A*STAR Institute of High Performance Computing (IHPC), Singapore, har nu bestemt, hvordan miniaturisering og iboende granulær struktur påvirker deformationen af ​​ultrasmå platincylindre.

Holdet brugte en kombineret eksperimentel og beregningsmæssig tilgang til at overvinde den videnskløft, der hindrer produktionen af ​​pålidelige mikro- og nano-elektromekaniske enheder. Teammedlem Zhaoxuan Wu fra IHPC forklarer, at denne tilgang gjorde det muligt for dem at reducere størrelsen af ​​de eksperimentelle prøver til snesevis af nanometer. Det gav dem også mulighed for at udføre atomsimuleringer i stor skala på sammenlignelige nanostrukturer, som gav et middel til direkte at forbinde struktur og mekaniske egenskaber. "Dette er sjældent muligt i sådanne undersøgelser, " konstaterer han.

Forskerne genererede først en skabelon ved at afsætte en polymerfilm på en guldbelagt siliciumoverflade og perforere den med cylindriske huller i nano- til mikrometerstørrelse. Næste, de syntetiserede metalnanostrukturerne i disse huller ud fra en platinprecursoropløsning. Opløsning af skabelonen producerede derefter nanopiller, der viste veldefinerede korn af lignende størrelser og korngrænser, eller grænseflader.

Kompressionseksperimenter på nanostrukturerne viste, at de tyndeste nanopiller forblev næsten cylindriske under lavt tryk, men svækkedes dramatisk, og bøjede sig uigenkaldeligt, under højt tryk. I modsætning, bredere nanopiller udviste en jævnere deformation og forsinket svigt. Denne 'mindre er svagere'-tendens er i modstrid med den skæbne, der er observeret for metalliske enkeltkrystaller:de bliver stærkere med mindre diametre. Wu og kolleger fandt også ud af, at en reduktion af antallet af korn på tværs af en nanopillers diameter svækkede strukturen.

I overensstemmelse med deres eksperimentelle resultater, forskernes numeriske simuleringer afslørede, at de komprimerede nanopiller gradvist undergik reversibel og efterfølgende irreversibel deformation (se billede). I øvrigt, simuleringerne indikerede oprindelsen inden for nanostrukturerne af de irreversible deformations- og dislokationsbevægelser. Nanopillerne indeholder en høj tæthed af korngrænser, der fremmer dannelsen af ​​dislokationer. Disse dislokationer, hvorigennem en bestemt type deformation udvikler sig, forplante sig over et helt korn eller fra et korn til et andet inde i kernerne. Tæt på nanopillaroverfladen, kornene glider let mod hinanden for at skabe trin på størrelse med atomer, reducerer materialets styrke.

"Vi undersøger yderligere virkningerne af mikrostrukturelle fejl og oxidationer på den mekaniske opførsel af nanomaterialer, " siger Wu.