Металлические материалы, в том числе золото, часто используются в качестве электродов в микро‑/наноэлектромеханических системах и наноэлектронных устройствах. В условиях эксплуатации, особенно в системах с высокой степенью интеграции, эти материалы могут подвергаться значительным плотностям тока. Кроме того, под воздействием электрических импульсов они могут испытывать определённую степень деградации и выходить из строя. В наноэлектронных устройствах, например в фазовых памяти, электрические сигналы обычно подаются в виде импульсов; перегрузочные импульсы способны вызывать существенные изменения структуры материала, вплоть до катастрофического разрушения устройства. Однако природа происхождения импульс‑индуцированной деградации остаётся недостаточно ясной. С другой стороны, обработка высокоэнергетическими электрическими импульсами представляет собой эффективный метод управления микроструктурой и механическими свойствами металлических функциональных материалов. Многочисленные исследования показывают, что формируемость таких материалов, как сталь, титановые и магниевые сплавы, может быть значительно повышена за счёт высокоэнергетической импульсной обработки; это обычно объясняется электропластичностью. Согласно классической модели, после приложения электрического импульса большое число дрейфующих электронов сталкивается с атомами, передавая им свой импульс и создавая так называемую «электронную ветровую силу», которая повышает подвижность дефектов и границ раздела. Считается, что эта электронная ветровая сила играет ключевую роль в процессах электродиффузии и электропластичности. Однако в предыдущих работах часто не удавалось надёжно исключить влияние тепловых эффектов тока, термических напряжений и связанных с ними взаимодействий дефектов, что делает микроскопический механизм электропластичности предметом споров.

В последнее время команда академика Чжана Цзэ и исследователя Ван Цзянвэя из Школы материаловедения и инженерии Чжэцзянского университета разработала оригинальную методику проведения in situ‑экспериментов в трансмиссионном электронном микроскопе, позволившую изучить кинетику дефектов в золотых нанокристаллах при воздействии сверхкоротких электрических импульсов (порядка 3 нс). Был выявлен механизм ненаправленного перемещения некогерентных двойниковых границ типа Σ3{112}, а также систематически проанализированы такие эффекты, как электротермический эффект, тепловая диссипация и скин‑эффект. Результаты количественного анализа показали, что указанное ненаправленное движение некогерентных двойниковых границ обусловлено прямым взаимодействием электронов и дислокаций, а не традиционным «электронным ветровым» эффектом. После подачи электрического импульса взаимодействие электронов с дислокациями приводит к нерегулярным колебаниям атомов в ядре дислокации и их отклонению от равновесного положения, что вызывает миграцию дефектов; одновременно вибрации атомов в ядре дислокации порождают определённые деформации решётки и остаточные напряжения, вследствие чего некогерентная двойниковая граница в промежутках между импульсами медленно релаксирует.

Результаты соответствующего исследования были опубликованы в журнале Nature Communications под названием «Раскрытие электропластичности, индуцируемой импульсами, путём развязки силы электронного ветра». Докторант Ли Синь выступил первым автором статьи, академик Чжан Цзэ и научный сотрудник Ван Цзянвэй — её соответственно контактными авторами; в работе также приняли участие профессор Чжэн Хэ из Уханьского университета и профессор Ван Цзянь из Университета Небраски в Линкольне.

Ссылка на оригинал: https://www.nature.com/articles/s41467-022-34333-2

Рис. 1. Устройство для проведения экспериментов с импульсным электрическим воздействием in situ, полученное с помощью просвечивающего электронного микроскопа

Рис. 2 Миграция некогерентных двойниковых границ в нанокристаллах золота, вызванная импульсами

Рис. 3 Недирекционное перемещение некогерентной двойниковой границы Σ3{112} под действием электрического импульса

Рис. 4. Электрический измерительный зонд на месте, произведённый компанией «Аньхой Цзэюй Технологии», использовавшийся в эксперименте.

В рамках данного исследования учёные взяли за объект изучения золотые нанокристаллы и исследовали динамические изменения дефектов в них под воздействием электрических импульсов. Используя ширину импульса порядка наносекунд (~3 нс), они минимизировали эффект джоулева нагрева и одновременно снизили плотность дефектов, исключив возможное взаимодействие между ними. Был проведён систематический анализ процессов образования, перемещения и аннигиляции дефектов, что позволило дополнительно уточнить и развить теорию электрической активации. Полученные результаты предоставили атомарно‑масштабные свидетельства, раскрывающие микроскопический механизм электро‑пластичности, и обеспечили теоретическое обоснование причин отказов микро‑ и наномеханических систем.