Crescita di grano assistita da nanotwin in film di oro nanocristallino sotto carico ciclico | comunicazioni della natura

Crescita di grano assistita da nanotwin in film di oro nanocristallino sotto carico ciclico | comunicazioni della natura

Anonim

Soggetti

  • Materiali in nanoscala
  • Tecniche e strumentazione

Astratto

Sotto carico meccanico, i metalli nanocristallini mostrano un comportamento unico, tra i quali i più comuni sono l'alta resistenza, la crescita del grano indotta meccanicamente e la formazione di gemelli. Tuttavia, la crescita del grano indotta meccanicamente è raramente correlata ai gemelli. Qui riportiamo una chiara relazione tra crescita del grano e gemelli su scala nanometrica in film d'oro spessi 20 nm con una granulometria di ~ 19 nm sotto carico ciclico basato su osservazioni e analisi su scala atomica. Scopriamo che la formazione di nanotwins è un modo efficace per aiutare la grossolana del grano, seguendo un processo fondamentale che la formazione reciproca di nanotwin in due grani vicini modifica l'orientamento locale del grano e dissocia il confine del grano in nuovi segmenti, che diventano più mobili. Il meccanismo proposto per la crescita del grano assistita da nanotwin può avere importanti implicazioni per la comprensione dei meccanismi di deformazione ciclica mediata dall'interfaccia e per la progettazione dell'interfaccia di metalli nanostrutturati con elevata resistenza e buona resistenza alla fatica.

introduzione

Sebbene un limite del grano (GB), quale efficace barriera al movimento di dislocazione, svolga un ruolo chiave nel migliorare la resistenza allo snervamento dei metalli policristallini attraverso la riduzione della dimensione del grano fino a scale di nanometri, i GB nei metalli a nano-grana di solito diventano così instabili che la crescita del grano ha caratterizzato da GB migrazione / ingrossamento del grano si verifica sempre. La crescita del grano è più comunemente associata alla migrazione 1, 2 attivata termicamente, ma è stata anche osservata nel rame nanocristallino (nc) deformato alla temperatura dell'azoto liquido 3, indicando che la crescita del grano nei metalli nc potrebbe essere indotta meccanicamente. Inoltre, Rupert et al. 4 hanno scoperto sperimentalmente il comportamento di migrazione GB guidato dallo sforzo di taglio nel film di alluminio usando i campioni progettati in modo intelligente con concentratori di stress e deformazione. Fino ad ora, la crescita del grano è stata osservata in varie modalità di carico tra cui tensione 5, 6, compressione 7, nanoindentazione 3, 8 e deformazione ciclica 9, 10 .

Numerosi meccanismi sono attualmente correlati alla crescita del grano indotta meccanicamente, come rotazione del grano e agglomerazione 11, 12, migrazione GB 4, 13, meccanismo cooperativo 11, 14, 15 e così via. Si suggerisce che la rotazione del grano sia un fattore significativo solo per i grani molto piccoli e a temperature molto elevate 1, e il meccanismo di crescita è associato alla graduale dissociazione del GB causata dal movimento di dislocazione 15, 16 . Per la migrazione GB, il movimento di un GB ad angolo basso (LAGB) è generalmente correlato al movimento collettivo delle singole dislocazioni in questi confini 17, 18, 19, 20, mentre la migrazione di un GB ad angolo alto (HAGB) è principalmente descritto dal modello di mescolamento 21, dal modello DSC (spostamento di spostamento completo) 22, 23, 24 e dai modelli di accoppiamento a taglio 13, 25, 26 . Nel modello DSC, la migrazione di HAGB è attribuita al movimento delle dislocazioni GB secondarie, che si traduce in una migrazione GB combinata e nello scorrimento 27 . Cahn et al. 13, 25 hanno recentemente proposto un approccio unificato al movimento GB nella modalità di accoppiamento a taglio. Inoltre, è stata proposta una formulazione più generalizzata 28 per descrivere l'accoppiamento migrazione-taglio di GB ordinari con relazioni non coincidenti e piani di abitudini irrazionali.

In caso di deformazione plastica del metallo strutturato nc fcc, le dislocazioni parziali di Shockley (PDs) vengono solitamente emesse da GBs 29, portando a frequente nucleazione gemellare. Inoltre, la simulazione di dinamica molecolare 30 e le osservazioni sperimentali 31, 32 suggeriscono che i gemelli possono formarsi per movimento o dissociazione di GB. Queste attività GB correlate a due gemelli possono sollevare dubbi sul fatto che la migrazione GB sia correlata a nanotwins. In tal caso, sorge la domanda su come questi GB migrino attraverso la formazione di nanotermi e su come i nanograin vengano ingrossati.

In questa comunicazione mostriamo che la crescita del grano di pellicole d'oro spesse 20 nm con una granulometria di ~ 19 nm sotto carico a fatica ha una stretta relazione con i nanotwins. La formazione gemellare in pellicole dorate a grana fine è un modo efficace per cambiare gradualmente l'orientamento locale del grano dai misorientamenti ad alto angolo ai misorientazioni ad angolo basso. La frequente formazione di gemelli può portare alla conseguente dissociazione dei GB e all'accelerazione della migrazione dei GB, che promuovono notevolmente la crescita del grano nei film in oro a grana fine sottoposti a carico di fatica.

risultati

Microstrutture dei film d'oro

Le immagini in campo chiaro della microscopia elettronica a trasmissione (TEM) sia in vista in pianta (Fig. 1a) che in sezione trasversale (Fig. 1b) indicano che il film depositato presenta una struttura a grana colonnare con una granulosità nel piano di 19, 0 ± 7, 6 nm. Qui i confini gemelli (TB) sono stati ignorati nella determinazione della dimensione del grano. Alcuni grani hanno gemelli della crescita (Fig. 1b). Le scansioni di diffrazione dei raggi X θ – 2θ (vedere l'inserzione in Fig. 1a) rivelano che il film ha una forte trama fuori piano (111).

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( a ) Vista in pianta e ( b ) vista in sezione trasversale TEM in campo chiaro del film d'oro depositato, che mostra una struttura a grani colonnari con alcuni gemelli di crescita. L'inserto è il risultato della scansione XRD θ –2 θ , che rivela una forte trama fuori dal piano (111). Barre di scala: ( a ) 50 nm, ( b ) 10 nm.

Immagine a dimensione intera

Per prima cosa abbiamo esaminato il campione di pellicola d'oro spesso 20 nm, in cui si sono verificati danni da fatica entro 10 6 cicli con un intervallo di deformazione totale dell'1, 41%. Si prevede che un tale intervallo di sollecitazione causi un elevato intervallo di sollecitazione 33 . Le caratteristiche del danno da fatica nel film d'oro (Fig. 2a) mostrano principalmente più incrinature senza alcuna estrusione / intrusione a fatica simile alla massa indotta dalla localizzazione ciclica della tensione 34 . Quindi, abbiamo attentamente controllato le regioni deformate ciclicamente lontano da e vicino alle fessure, come mostrato nella Figura 2b, c, rispettivamente. La crescita evidente del grano è stata trovata in entrambe le regioni. La dimensione media del grano del campione affaticato è aumentata a 41, 3 ± 15, 4 nm rispetto a quella (19, 0 ± 7, 6 nm) del campione depositato (vedere la figura 2d) e la distribuzione della dimensione del grano si allarga all'aumentare della dimensione del grano. In particolare, non vi è alcuna differenza apprezzabile nell'entità della grossolana del grano tra le due regioni, il che implica che la crescita del grano nel presente film a nano-grana è localmente uniforme.

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( a ) Osservazione al microscopio elettronico a scansione (SEM) della morfologia del danno nel film dorato spesso 20 nm dopo il carico a fatica. ( b, c ) immagini TEM per luoghi lontani dalle crepe e vicino alle crepe, rispettivamente. Distribuzioni statistiche della ( d ) frequenza normalizzata e ( e ) il numero di granuli gemellati con granulometria in campioni depositati e affaticati. ( f )

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Immagine HRTEM di una tipica grana grande con multi-gemelli paralleli, che mostra sette piani gemelli indicati da frecce. La freccia rossa indica un errore di sovrapposizione. L'inserto è la rapida trasformazione di Fourier di un gemello. ( g ) Un alto ingrandimento di nanotvin nella regione tratteggiata al quadrato in ( f ). I passi TB mostrano confini gemelli imperfetti. L'inserto è il circuito di Frank con un fallimento di chiusura

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. Barre di scala: ( a ) 2 μm, ( b, c ) 50 nm, ( f ) 5 nm, ( g ) 2 nm.

Immagine a dimensione intera

Grossolana di chicchi gemellati

Abbiamo sorprendentemente scoperto che i grani grezzi avevano una stretta correlazione con la formazione dei gemelli. Dopo aver esaminato ~ 740 grani nei campioni affaticati e rispettivamente in quelli depositati, abbiamo notato che la frazione di nanotvince evidentemente aumentava e molti grani grossolani contenevano più nanotvin in campioni affaticati. L'intervallo di distribuzione delle dimensioni dei grani gemellati dopo la deformazione ciclica si è spostato dall'intervallo originale (5-50 nm) a quello con grani più grandi (20–80 nm). Nel frattempo, anche il numero dei chicchi gemellati è aumentato notevolmente (Fig. 2e). La Figura 2f mostra un tipico grano multi-gemellato con una spaziatura media doppia di 5 nm. Le TB nel grano sono generalmente imperfette, in quanto sono caratterizzate da un'immagine al microscopio elettronico a trasmissione ad alta risoluzione (HRTEM) (Fig. 2g). Qui il circuito di Frank (vedi inserto in Fig. 2g) con un fallimento di chiusura di

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, che è il vettore proiettato di Shockley PD

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sul

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aereo. Numerose osservazioni di HRTEM mostrano inoltre la comparsa di nanotvinche, difetti di impilamento e granuli multi-gemellati (vedere le figure complementari S1–3). Allo stato attuale, non è definitivamente dimostrato che questi nanotvin siano gemelli di deformazione piuttosto che gemelli di crescita.

Dissociazione GB assistita da nanotwin

Attraverso i seguenti due esempi di campioni affaticati, scopriremo un meccanismo per la crescita del grano osservata, essendo essenzialmente il processo di dissociazione GB assistita da nanotwin e di ingrossamento locale del grano.

Il primo esempio (Fig. 3a) mostra un'immagine HRTEM di due grani grandi ( G1 e G2 ) con tipici gemelli multipli (si noti che il grano in basso a destra etichettato da G1 è in parte mostrato ma la parte non immaginata del GB era schematicamente contrassegnato da asterischi). La Figura 3b rivela che il disorientamento tra G1 e il grano in alto a sinistra ( G2 ) è di 60 °, come un HAGB. La lamella doppia larga 2 nm ( T11 ) terminò in G1 e cambiò l'orientamento locale di G1 con lo stesso orientamento di G2 (analogamente T12 e G2) . Di conseguenza, alcune parti di G1 sono state trasformate in G2 attraverso una tale formazione multipla di nanotvin, che ha fatto dissociare gradualmente il confine tra G1 e G2 . Secondo la Fig. 3c, sappiamo che la parte rimanente del GB è una TB incoerente Σ3 {112}, che è la struttura di confine 9R rilassata, come riportato nella letteratura 35, 36 . Ovviamente, una formazione così frequente di nanotermi ha gradualmente cambiato l'orientamento del grano in così vicino all'orientamento del grano vicino.

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( a, d ) immagini HRTEM di due esempi tipici per grani grandi (G1 e G2 per esempio 1, G3 e G4 per esempio 2) con multi-gemelli paralleli nei campioni affaticati. ( b, c ) ed ( e, f ) I dettagli corrispondenti delle microstrutture per gli esempi 1 e 2, rispettivamente. Gli asterischi indicano GB. T e M sono abbreviazioni rispettivamente di gemello e matrice. Le frecce rosse indicano errori di impilamento. In ( a ), T11 termina nel grano e gli errori di impilamento sulla punta del T11 sono indicati da frecce. ( b ) Una stretta osservazione della zona I in a . Le linee tratteggiate rosse indicano la TB incoerente (ITB). ( c ) Struttura limite di ITB1 . ( e ) Un elevato ingrandimento della zona II in ( d ), la relazione di gemellaggio è contrassegnata dalla linea continua. G4 (M41) e G3 (M31) hanno un piccolo disorientamento di 5, 3 °. Tre dislocazioni perfette sono indicate da un simbolo ' '. ( f ) Un attento esame della zona III in d, T41 e T32 ha un piccolo disorientamento di 3, 4 °. Una dislocazione perfetta è indicata da un simbolo ' '. Gli angoli di misorientazione sono determinati dall'angolo tra i piani {111}, che è etichettato dalle linee rette nere, come mostrato in b ed e . Barre di scala: ( a, d - f ) 5 nm, ( b, c ) 1 nm.

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Un altro esempio è rappresentato dall'osservazione HRTEM su due grani più grandi ( G3 e G4 ) e un grano più piccolo ( G5 ) (vedi Fig. 3d). G3 e G4 avevano un LAGB con un orientamento errato di 5, 3 ° (Fig. 3e). Quando i nanototri T31 e T32 si sono formati in G3, hanno urtato il LAGB e trasformato parti locali del LAGB in diversi segmenti di confine con un angolo più ampio, che sono energicamente più favorevoli del LAGB per la migrazione GB 8, 15, 37 . L'orientamento locale di un nanotwin T41 in G4 mantiene l'orientamento vicino a quello di T32 in G3 (solo 3, 4 °) e una perfetta dislocazione su un tale LAGB è stata trovata anche in Fig. 3f.

Discussione

Le nostre osservazioni rivelano principalmente che la formazione di gemelli può svolgere un ruolo importante nella crescita del grano, ma tale meccanismo a doppio gemello non esclude altri meccanismi per la crescita del grano 4, 11, 25, 38, come è probabile che alcune dislocazioni totali / parziali essere coinvolto nella dissociazione del GB, non avendo alcuna relazione con la formazione gemellare e gli effetti di superficie / confine non possono essere trascurati. Nonostante ciò, si vorrebbe sapere quanto sono grandi le forze trainanti della nucleazione gemella e della crescita del grano, e qual è la relazione tra formazione gemellare e crescita del grano sotto carico ciclico?

Innanzitutto, calcoliamo la forza motrice per la nucleazione doppia, che rivela che i PD in oro verrebbero attivati ​​preferenzialmente quando la dimensione del grano diminuisce fino a ~ 20 nm (vedi Discussione Supplementare e Fig. 4 Supplementare). Pertanto, i PD per formare un gemello sarebbero presenti in alcune nanograine nel film d'oro spesso 20 nm con grani che vanno dai 5 ai 50 nm.

In secondo luogo, i meccanismi di diffusione come lo scorrimento di Coble e lo scorrimento GB non sono le condizioni necessarie per la crescita dei grani molto piccoli 3, 38 . La crescita del grano è generalmente guidata dalla riduzione dell'energia libera complessiva 5, 27, che tradizionalmente include una diminuzione dell'energia di deformazione immagazzinata, energia di deformazione elastica, energia GB o energia di superficie 27 . Qui in primo luogo consideriamo la forza trainante tradizionale per la crescita del grano e quindi lo stress meccanico. (a) Una densità eccessiva di difetti (ad esempio dislocazioni) è una potente fonte di una forza motrice 27 . Qui non si osservano reti di dislocazione sia nei campioni depositati che in quelli deformati, quindi il contributo dell'energia di deformazione immagazzinata potrebbe essere trascurato. (b) La forza motrice elastica P può essere semplicemente data dalla differenza nella densità di energia elastica immagazzinata dei due granuli 27

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dove τ è lo stress elastico ~ 10 2 MPa. E 1 ed E 2 sono moduli elastici di grani vicini ~ 10 5 MPa, rispettivamente. Pertanto, la forza di immersione è di circa tre ordini di grandezza inferiore allo stress elastico. (c) La riduzione dell'energia GB e dell'energia di superficie promuove anche la crescita del grano. Questi due tipi di forze motrici dominano la crescita del grano a temperature elevate nei film metallici. Pertanto, abbiamo condotto un trattamento di ricottura a 250 ° C per ~ 10 ore nel vuoto per vedere come i due fattori influenzano la crescita del grano. Qui il tempo di ricottura era approssimativamente uguale al tempo di prova a fatica. Inoltre, calcoliamo e confrontiamo la velocità di scorrimento

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sotto la condizione di stress e di termicamente secondo l'equazione di scorrimento 39 di Coble.

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dove A è una costante, σ è la sollecitazione, d è la dimensione media del grano, H b è l'energia di attivazione ( H b = 173, 4 kJ mol −1 ) 27, R è la costante del gas e T è la temperatura. I risultati del calcolo presentati nella Tabella 1 indicano che

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è molto più grande per il campione ricotto, anche se viene scelto uno stress sottovalutato. Tuttavia, il film d'oro ricotto non mostra una predominanza più evidente nella crescita del grano, invece, la dimensione media del grano del campione ricotto è inferiore a quella del campione affaticato, come mostrato nelle figure 1a e 4. Ciò conferma che lo stress meccanico svolge un ruolo importante nel promuovere la crescita del grano.

Tabella a grandezza naturale

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a ) Distribuzione statistica delle dimensioni del grano in pellicole d'oro affaticate e ricotte. La granulometria media del campione ricotto è inferiore a quella del campione affaticato. ( b ) Immagine TEM in pianta di microstrutture del film dorato ricotto a 20 nm di spessore. Barra della scala: 100 nm.

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In terzo luogo, abbiamo stimato la forza trainante per la crescita meccanica del grano basata sui modelli attualmente disponibili 38 . Il confronto della forza motrice tra formazione gemellare e crescita del grano (vedi Discussione supplementare e Tabella supplementare S1) indica che le loro forze motrici sono comparabili. La formazione del gemello o la crescita del grano possono dipendere dallo stress applicato. Si ritiene che la formazione gemellare e la crescita del grano si verifichino simultaneamente a causa della maggiore sollecitazione applicata nel film d'oro. In alternativa, anche se la crescita del grano avvenisse prima della formazione del gemello durante il caricamento del primo ciclo, i nanotwins formati nel caricamento del ciclo successivo parteciperebbero immediatamente alla dissociazione GB e alla grossolana del grano, come osservato nelle figure 2 e 3. Lo stress ciclico nel film varia periodicamente dal massimo al minimo, a volte si riduce di entrambi gli stress per la formazione di gemelli e la crescita dei cereali, portando a un processo di crescita ripetuta a partire dai grani gemellati. In particolare, i nanotvin di crescita preesistenti possono anche essere coinvolti nella dissociazione GB alla prima insorgenza della crescita del grano nel caricamento del primo ciclo. Pertanto, indipendentemente dal fatto che i nanotermi si siano formati prima o dopo l'inizio della crescita del grano nel caricamento del primo ciclo, hanno sempre aiutato la dissociazione del GB con l'accumulo del caricamento ciclico.

Sulla base delle nostre osservazioni su scala atomica, il meccanismo di crescita del grano assistito da nanotwin nei film in oro nc deformati ciclicamente può essere illustrato schematicamente in Fig. 5. Il carico ciclico sostiene la successiva formazione di nanotvini nell'uno / due grani, che spesso incidono sul GB, portando alla dissociazione locale del GB (Fig. 5a-d). La formazione di nanotermi può portare al fatto che alcune parti locali dell'HAGB vengono trasformate in diversi nuovi segmenti LAGB. Generalmente, i segmenti LAGB sono lunghi diversi nanometri con una o due lussazioni, come osservato in Fig. 3e, f. Queste lussazioni molto limitate potrebbero essere rimosse raggiungendo i confini vicini 38, 40 o dissociate per scivolare in una TB 29, 41 coerente. Inoltre, i segmenti non associati dell'HAGB diventerebbero molto più facili da spostare rispetto all'intero HAGB sotto lo stress meccanico (Fig. 5e), poiché la velocità del movimento GB è inversamente proporzionale alla dimensione dell'unità mobile 20, 42 . Tutte queste attività correlate ai gemelli promuovono due grani per unirsi gradualmente in un grano con più gemelli (Fig. 5f). Un simile processo di crescita del grano si verificherebbe nei cereali con LAGB. La dimensione dei grani su scala nanometrica inferiore a 10-20 nm comporta il fatto che i PD sono più prevalenti 29, mentre la formazione dei gemelli sostenuta dal carico / scarico ciclico impoverisce gradualmente l'intero grano attraverso la formazione continua di gemelli all'interno dei grani. Nel seguito, considereremo un caso generale in cui la relazione di orientamento tra i due grani si adatta a tale coalescenza locale.

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( a ) Due nanograine ( G1 e G2 ) nel film d'oro con la trama fuori piano [111] prima della deformazione ciclica. ( b, c ) La formazione di gemelli in G1 e G2 produce nanotwins T11 e T21 rispettivamente, portando alla dissociazione locale di GB. Gli orientamenti di T11 e T21 sono vicini a quelli di G2 e G1, rispettivamente. ( d ) La successiva formazione di gemelli in due granuli divide ulteriormente il GB. ( e ) I segmenti non dissociati di GB si spostano nel grano vicino. ( f ) Insieme al movimento GB, due grani si uniscono infine in un solo grano con più gemelli.

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Possiamo semplicemente descrivere la relazione di orientamento del gemello come 180 ° considerando l'elevata simmetria del cristallo nel cristallo cc 43, 44 e le matrici corrispondenti Γ gemello sono elencate come segue:

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Per un grano G con un orientamento di M G, l'orientamento del gemello T in G può essere descritto da M gemello = Γ gemello · M G. Il disorientamento tra due orientamenti ( M A e M B ) può essere espresso come Γ mis = M B · inv ( M A ). Possiamo ricavare l'asse e il suo angolo di rotazione corrispondente (chiamato anche angolo di misorientazione) dalla matrice Γ mis (maggiori dettagli nel rif. 45). Quindi, vengono utilizzati 24 operatori di simmetria (per la simmetria cubica) per ottenere l'angolo di rotazione più piccolo tra tutti gli angoli di disorientamento simmetrici equivalenti.

Poiché l'angolo per la transizione dai limiti dell'angolo basso a quello alto viene generalmente considerato compreso tra 10 ° e 15 °, 10 ° viene scelto come un disorientamento dell'angolo critico ( θ c ) al di sotto del quale i due granuli coalescenti sono localmente considerati come uno con il LAGB . Seguendo un tale criterio, ora abbiamo due nanograin con gemelli; il loro reciproco disorientamento ( φ ) è mostrato nell'inserto di Fig. 6. Una volta θ i ≤ θ c ( i = 1, 2 o 3), G1 e G2 si uniscono in un granello con il LAGB. Qui θ i è l'angolo di rotazione più piccolo e il metodo per ottenere θ i è stato descritto sopra. Calcoliamo il possibile ϕ tra G1 e G2 adatto a θ i ≤ θ c attraverso la rotazione attorno a quattro assi simmetrici tipici a basso indice < hkl > nel cristallo fcc, rispettivamente, come mostrato in Fig. 6. Troviamo che esiste un grande possibilità che si verifichi il presente meccanismo in G1 / G2 con ϕ < hkl >, in particolare per ϕ ( ϕ = 0–10 °, 29–48.9 °, 60.6–80.5 °, 99.5–119.4 °, 131.1–151 ° e 170 –180 °) e ϕ ( ϕ = 0–10 °, 50–70 °, 110–130 ° e 170–180 °). Ovviamente, le nostre osservazioni sperimentali (Tabella 2) sono ben coerenti con i calcoli, come mostrato dai punti dati in Fig. 6, ovvero G3 / G4 con ϕ = 5.3 °

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potrebbe fondersi attraverso la formazione gemellare, mentre G5 / G3 con ϕ = 87, 2 °

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e G5 / G4 con 82, 2 °

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è rimasto ancora intatto senza alcuna evidente crescita del grano.

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Possibile angolo di misorientazione ( ϕ ) adatto per la nanescenza G1 e G2 coalescenza indotta dal presente meccanismo assistito da nanotwin sotto diversi assi di rotazione < hkl >. L'inserto mostra tutti gli angoli di disorientamento tra grani e gemelli.

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Tabella a grandezza naturale

Una volta che il grano si ingrossa, l'attività di dislocazione perfetta tende gradualmente ad essere efficace e la velocità di movimento del GB diminuisce. Quindi, sebbene la relazione di orientamento tra il grano grossolano e il prossimo grano vicino possa essere soddisfatta, il meccanismo assistito da nanotwin potrebbe non avere i grani per crescere così grande che si possono formare estrusioni / intrusioni a fatica, come osservato nei grani ultrafini prodotti da grave deformazione plastica 46 . Nei grani ultrafini con energia di deformazione altamente immagazzinata, il recupero dinamico attivato termicamente ha provocato l'ingrossamento del grano e il conseguente ammorbidimento ciclico 2, mentre il limitato ingrossamento del grano negli attuali film nano-granulati ha portato al fatto che l'inizio di crepe da fatica è ancora piuttosto difficile in questi grani grezzi a meno di 100 nm 34 . Inoltre, tale crescita di grano assistita da nanotwin può effettivamente dissipare una certa quantità di plasticità ciclica, e quindi contribuire parzialmente a proprietà di fatica migliorate dei film d'oro spessi 20 nm rispetto a quelli di quelli spessi 900 nm, come mostrato in Fig. 7. Sebbene non vi siano quasi rapporti sulle proprietà di fatica dell'oro policristallino sfuso, il confronto tra i film di oro nc sfusi con il rame policristallino sfuso 47, i film di rame spessi micron 48, 49 e i film di rame spessi submicronici su substrati di poliimmide 48, 49 dimostra che i film di oro nc hanno una resistenza alla fatica molto più elevata di quelli dei film di rame su scala submicronica e del rame sfuso (si veda la figura 7), rivelando indirettamente che le proprietà di fatica dei film di oro nc sono evidentemente migliorate rispetto a quelle di massa. Oltre al potenziale contributo degli alti punti di forza delle nanograine e dei nanotermi, questo miglioramento delle proprietà di fatica può anche essere strettamente associato al limitato ingrossamento delle nanograine, che è assistito dalla formazione ciclica di nanotwin sostenuti dal carico.

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La resistenza a fatica dei film d'oro spessi 20 nm è evidentemente superiore a quella dei film spessi 900 nm. Le resistenze a fatica dei film d'oro sono state inoltre confrontate con il dato di rame policristallino sfuso, film di rame spessi micron e film di rame submicronici su substrati di poliimmide riportati in letteratura.

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In effetti, Fang et al. 50 hanno recentemente dimostrato che la crescita meccanica del grano ha svolto un ruolo chiave nel migliorare la plasticità del rame gradiente nc, svelando la potenziale plasticità nei materiali nc ad alta resistenza. Ci aspettiamo che tali meccanismi di crescita del grano assistiti da nanotwinzio possano essere validati solo nel regime di nanoscala in cui i PD hanno assunto il ruolo di principale deformazione ciclica, ma il meccanismo proposto sarebbe di notevole importanza tecnologica per la progettazione ottimale della stabilità GB attraverso il concetto di il limitato ingrossamento delle nanograine assistito da nanotvinche per materiali nanostrutturati ad alte prestazioni con elevata resistenza e buona resistenza alla fatica.

I nostri risultati rivelano, in generale, che la crescita del grano dei film in oro a grana fine sotto carico ciclico è correlata alla formazione di nanotwin, che svolge un ruolo chiave nel cambiare l'orientamento locale del grano e dissociare i confini delle nanograine. Di conseguenza, la crescita del grano può essere aiutata efficacemente. Il proposto meccanismo di crescita del grano assistito da nanotwin e il calcolo teorico della relazione cristallografica tra i grani vicini possono fornire un indizio su come stabilizzare i nano-GB e persino modulare la plasticità ciclica dei metalli nc attraverso il design ottimale dei nano-GB per il GB engineering.

metodi

preparazione del campione

Abbiamo depositato film d'oro di spessore 20 nm (purezza target: 99, 99%) su substrati di poliimmide (Dupont Kapton) di spessore 125 μm utilizzando sputtering con magnetron CC in condizioni di vuoto ultra elevato (10 −7 torr). Prima della deposizione, il substrato è stato pulito spruzzando ioni per ~ 5 minuti per rimuovere la contaminazione superficiale e migliorare il legame tra il substrato e il film.

Metodi sperimentali

Le prove di fatica dei campioni di film con una sezione di calibro di 13 mm di lunghezza e 3 mm di larghezza sono state eseguite sotto controllo del carico con una frequenza di 20 Hz e un rapporto di carico (il carico minimo / il carico massimo) di 0, 1. Per introdurre danni da fatica nel campione, è stato applicato un intervallo di carico iniziale (Δ P ) al film legato al substrato di poliimmide elastico per un test di ciclo 10 6 fisso. Quindi, Δ P non è stato aumentato successivamente fino a quando non sono comparse le incrinature riconoscibili nel film entro 10 6 cicli. Il Δ P critico necessario per generare un danno da fatica entro 10 6 cicli è stato determinato in 16, 0 N, che corrisponde all'intervallo di deformazione totale dell'1, 41%. I campioni per le osservazioni sul comportamento al danno da fatica (Figg 1, 2, 3 e Fig. 1–3 supplementari) sono stati condotti con questo metodo.

Per valutare la durata della fatica, sono stati eseguiti test di fatica dei campioni di film d'oro con una sezione di calibro di 10 mm di lunghezza e 3 mm di larghezza sotto controllo del carico a una frequenza di 20 Hz per regime di ciclo elevato (> 10 5 cicli) e 1 Hz per regime ciclo basso. Anche il rapporto di carico è 0, 1. Durante il caricamento ciclico è stata misurata una resistenza elettrica ( R ) in tempo reale del film usando un multimetro digitale (Agilent 34410A) con una risoluzione di 10 −3 Ω. Un aumento di Δ R / R 0 (Δ R = R - R 0 e R 0 è la resistenza elettrica iniziale prima del test di fatica) è considerato associato alla nucleazione e propagazione delle crepe nel film, che è stata confermata dal post mortem Osservazioni SEM. Per determinare il Δ R / R 0 critico corrispondente all'insorgenza del cracking a fatica, abbiamo condotto una serie di osservazioni SEM post mortem a diversi Δ R / R 0 (vedi Fig. S5 supplementare). Pertanto, si determina che il numero di cicli fino a rottura è rappresentato dai cicli di fatica in corrispondenza dei quali Δ R / R 0 aumenta al 10%, in cui la macrocrack inizia a propagarsi, con conseguente fallimento del film. Definizioni simili della vita a fatica sono state adottate nelle precedenti relazioni 51, 52, 53 .

Caratterizzazione

I campioni per le indagini HRTEM e TEM sono stati macinati meccanicamente a ~ 30 μm di spessore, quindi diluiti ulteriormente mediante fresatura di ioni su un sistema di lucidatura a ioni di precisione (Gatan 691) a -100 ° C. Una pistola ad emissione di campo SEM (Zeiss Supra 35) e una pistola ad emissione di campo TEM (FEI Tecnai F20) sono state utilizzate per osservare i film d'oro. Le osservazioni HRTEM sono state operate a 200 kV e la sua risoluzione in punti è ~ 0, 21 nm. Diffrazione di raggi X θ –2 θ scansioni sono state registrate su un diffrattometro di raggi X Rigaku D / MAX – 2500 / PC dotato di radiazione Cu Kα (56 kV, 182 mA).

Informazione supplementare

File PDF

  1. 1.

    Informazione supplementare

    Figure supplementari 1-5, tabella supplementare 1, discussione supplementare e riferimenti supplementari

Commenti

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