Nanofabrikation ved hjælp af termomekanisk nanostøbning

Fremskridt inden for nanoteknologi kræver udvikling af nanofremstillingsmetoder for en række tilgængelige materialer, elementer og parametre. Eksisterende metoder har ikke specifikke egenskaber, og generelle metoder til alsidig nanofabrikation forbliver uhåndgribelige. I en ny rapport, der nu er offentliggjort i Science Advances , Naijia Liu, Guannan Liu og et team af forskere inden for maskinteknik og materialevidenskab ved Yale University og University of Connecticut i USA beskrev de underliggende mekanismer ved termomekanisk nanostøbning for at afsløre en meget alsidig nanofabrikationstilgang. På baggrund af resultaterne kunne de regulere, kombinere og forudsige evnen til at udvikle generelle materialer med materialekombinationer og længdeskalaer. Den mekanistiske oprindelse af termomekanisk nanostøbning og deres temperaturafhængige overgang gav en proces til at kombinere mange materialer i nanostrukturer og give ethvert materiale i formbare former på nanoskala.

Termomekanisk nanostøbning (TMNM)

Forskere skal fremme metoderne til nanofabrikation for at udvikle nanoenheder som svar på de stadigt stigende krav fra applikationer på nanoskala. Det er derfor ideelt at facilitere en fremstillingsmetode, der kan udvikle en række materialer med forskellige egenskaber, herunder former, længder og en reguleret elementær nano-arkitektur. Kravene kan spænde over forskellige områder lige fra optik, elektronik, life science og energihøst til kvantematerialer. Mens forskere allerede har udviklet mange metoder til at realisere sådanne applikationer, er de fleste nanofremstillingsmetoder relativt begrænsede. For at producere en alsidig nanofremstillingsmetode, der giver en proces til at regulere størrelsen, formen, kemien og grundstoffordelingen inden for nanotråden, skal forskere opnå dybere indsigt i de underliggende mekanismer for fremstilling, længderegulering, sammensætningen af ​​elementer og deres transport. Termomekanisk nanostøbning (TMNM) er et nyligt fremskridt inden for metaller, som kan udforskes til nanofabrikation. I dette arbejde har Liu et al. identificeret størrelsen og temperaturafhængige underliggende mekanismer for TMNM for at tilbyde en række materialer og materialekombinationer, såvel som elementære fordelinger på tværs af en række materialer.

For at udvikle nanostrukturer, Liu et al. drev råmaterialet (råmaterialet) under et påført tryk og forhøjet temperatur i en nanomønstret hård form. De estimerede bulkdiffusion, grænsefladediffusion og dislokationsglidning for at regulere denne proces som underliggende mekanismer. For at identificere de grundlæggende mekanismer ved TMNM analyserede forskerne støbelængden vs. støbebetingelserne. Skaleringen for bulk- og grænsefladediffusion er baseret på Ficks lov. De brugte skaleringseksperimenter til at bestemme mekanismerne for TMNM for et givet sæt behandlingsparametre for at afsløre diffusionsdomineret TMNM ved høje homologe temperaturer. Ved lave homologe temperaturer dominerede mekanismen for dislokationsglidning TMNM. De eksperimentelle resultater viste, at enten diffusions- eller dislokationsmekanisme kunne beskrives bedre via en superposition af begge mekanismer. Overgangene i de mekanismer, der kontrollerer TMNM, forekom ikke kun med temperatur alene, men også med formstørrelse. Ved hjælp af metoden udviklede holdet ultratynde nanotråde ned til 5 nm i diameter via diffusion. Det var dog udfordrende at udvikle forme med mindre diameter. For at danne ledninger med en mindre diameter brugte de en dislokationsslipdomineret TMNM. På denne måde kunne forskerne bruge en et-trins støbeproces til at udvikle både mikro- og nano-funktioner baseret på henholdsvis dislokations-slipdominerede mekanismer og en interface-diffusionsmekanisme. Metoden tillader også alsidighed på tværs af en række materialer, herunder rene metaller, ikke-metalelementer, oxider og keramik.

Udvikling af heterostrukturer

De eksperimentelle forhold gjorde det også muligt for holdet at regulere de elementære fordelinger og danne en række heterostruktur nanotråde, med særlig interesse for mange applikationer, herunder nanoenheder med driftsprincipper, der er afhængige af funktionelle grænseflader, fotodetektorer, felteffekttransistorer og lysemitterende dioder. For at vise udviklingen af ​​heterostruktur nanotråde ved hjælp af TMNM, inkorporerede teamet kobber (Cu) og sølv (Ag) lag og overvejede forskellige rækkefølger af disse lag i råmaterialet. De viste, hvordan diffusionsdomineret TMNM dannede nanotråde af enkeltkrystalstrukturer, mens nanotråde dannet via dislokationsglidning var polykrystallinske eller opretholdt en 'bambus'-kornstruktur. Liu et al. yderligere studeret Cu-Ag heterostrukturerne og Ag/Cu grænsefladen ved hjælp af transmissionselektronmikroskopi. Resultaterne viste en skarp og ren grænseflade mellem sølv og kobber.

Outlook

På denne måde viste Naijia Liu og kolleger muligheden for at regulere elementær fordeling på nanotråden ved at designe forarbejdnings- og materialeegenskaberne ved hjælp af TMNM-processen (termomekanisk nanostøbning) for at opnå alsidige nanostrukturer. Et aspekt af eksperimentet omfattede råmaterialet, som kunne legeres eller laves til lagdelte strukturer. Holdet overvejede elementernes relative diffusivitet for at definere deres tilstedeværelse i råmaterialet. Ved hjælp af teknikken har Liu et al. kunne udvikle en homogen legeret nanotråd. De fremhævede, hvordan de underliggende mekanismer for TMNM var baseret på temperatur- og størrelsesafhængige overgange. For eksempel, med høj temperatur og små størrelsesvariationer, var metoden afhængig af diffusion ved grænsefladen mellem materialet og formen. Ved større størrelse og lav temperatur dominerede mekanismen for dislokationsglidning resultatet. Den beskrevne teknik med termomekanisk nanostøbning er et kraftfuldt paradigmeskifte for at implementere nanoapplikationer med ønskede funktioner på nanoskalaen. + Udforsk yderligere

Borophenes gjort nemt

© 2021 Science X Network