За последние несколько десятилетий металлические нанопроволоки благодаря своим уникальным физическим, механическим и химическим свойствам получили широкое применение в области наноэлектроники и наномехатронных систем (NEMS). Они обладают выдающимися механическими характеристиками — например, высокой упругостью, сверхпластичностью и чрезвычайно высокой прочностью, что делает их идеальным материалом для множества высокотехнологичных приложений. Однако при интеграции таких нанопроволок в наноустройства они могут подвергаться воздействию внешних механических напряжений; особенно это касается случаев, когда они служат основными компонентами наносхем в гибких носимых устройствах, где им приходится выдерживать многократные изгибы. Несмотря на то что по вопросам растяженно‑сжимающего поведения нанопроволок проведено немало исследований, их поведение при изгибе, в частности механизмы деформации на атомном уровне, до сих пор остаётся недостаточно ясным. Согласно данным литературы, максимальная обратимая угловая деформация металлических нанопроволок обычно не превышает примерно 10%, что является ограничением для применений, требующих хорошей стойкости к усталости.

В ответ на указанные выше проблемы исследовательская группа, сформированная Зhejiang University, провела углублённое исследование с использованием системы in situ‑измерений TEM компании Zeyou Technology. В данном исследовании с помощью in situ‑наномеханических испытаний в сочетании с атомистическим моделированием изучено деформационное поведение золотых нанопроволок, в которых присутствуют продольные двойниковые границы, особенно их отклик при различных скоростях нагружения. Результаты работы позволили выявить, что при низких скоростях нагружения ключевыми механизмами являются движение стекловых дислокаций (SFs) и их взаимодействие с двойниковыми границами, тогда как при высоких скоростях нагружения доминируют образование высокоугловых границ зерен (HAGBs) и их обратимая миграция. Эти выводы не только углубляют понимание изгибного поведения металлических нанопроволок, но и дают новые ориентиры для проектирования наноустройств с улучшенной стойкостью к усталости и высокой восстанавливаемой деформацией.

Соответствующие результаты были опубликованы в журнале «Crystals» под названием «In Situ‑наблюдение за высокой восстанавливаемостью изгибной деформации в нанопроволоках из золота». Полная версия статьи доступна по ссылке: https://doi.org/10.3390/cryst13081159

Основное содержание данной работы посвящено изучению поведения при изгибном деформировании и восстановительных свойств золотых нанопроводов (Au NWs) при различных скоростях нагружения. Исследовательская группа провела детальное исследование золотых нанопроводов, в которых присутствуют осевые двойниковые границы (TB), с использованием комбинированного подхода, объединяющего in situ‑наномеханические испытания и атомистическое моделирование.

Исследование показало, что эти золотые нанопроволоки при наличии двойных границ кристаллитов демонстрируют восстанавливаемую изгибную деформацию величиной до 27,5%. Этот эффект тесно связан со скоростью нагружения: при низких скоростях нагружения восстановление изгиба обусловлено преимущественно движением стек‑фальцев (SFs) и их взаимодействием с двойными границами кристаллитов; тогда как при высоких скоростях нагружения доминирующим механизмом становится образование высокоугловых границ кристаллитов (GBs) и их обратимая миграция.

Рис. Поведение золотых нанопроводников с восстанавливаемой деформацией при низкой скорости нагружения

Для проведения эксперимента исследовательская группа с помощью технологии in situ‑нанопроизводства на трансмиссионном электронном микроскопе (ТЭМ) получила золотые нанопровода и подвергла их изгибному нагружению. В ходе испытания зонд точно регулировался для приложения циклического изгибного нагрузки с постоянной низкой (0,1 нм/с) или высокой (2 нм/с) скоростью деформации. Изменение скорости нагружения приводило к различному распределению напряжений, что, в свою очередь, вызывало отличия в характере деформационных процессов.

При низких скоростях нагружения стекловидные дислокации равномерно распределяются по всему образцу и при обратном нагружении определяют ход процесса восстановления. При высоких же скоростях нагружения ключевыми факторами, контролирующими деформацию, становятся формирование высокоугловых границ зерен и их обратимая миграция. Двойные границы зерен не только служат началом и концом границ‑скольжений, но и выступают центрами зарождения дислокаций, способствуя их накоплению и распространению, что повышает пластичность и степень упрочнения материала.

Настоящее исследование раскрыло механизмы деформации золотых нанопроводов при различных скоростях нагружения и продемонстрировало их выдающиеся свойства по восстановлению деформации под циклическими изгибными нагрузками. Полученные результаты открывают новые перспективы для разработки гибких электронных материалов с высокой усталостной стойкостью и способностью к значительной деформации при восстановлении.

Компания «Аньхой ZEPTOOLS» — отечественный производитель высокоточных приборов премиум‑класса, являющийся ведущим поставщиком решений для in situ‑характеризации с помощью электронных микроскопов, представила… ПикоФемто Серия решений для in situ‑характеризации с помощью просвечивающего электронного микроскопа последовательно обеспечивала техническую поддержку важнейших научных результатов отечественных и зарубежных пользователей. На нижнем рисунке показан образцовый стержень для in situ‑ПЭМ, использовавшийся в данном исследовании:

Решения TEM в режиме реального времени — Центр продуктов — Zeptools (zeptools.cn)