研究与评论:纯粹与应用雷竞技苹果下载物理学杂志
菜单ISSN: 2320 - 2459
ISSN: 2320 - 2459
孔德丽，辛天骄，肖丽蓉，沙学超，闫璐，王丽华＊
北京工业大学新材料微结构与性能研究所，北京100124
收到:06/03/2015接受:06/06/2015发表:06/08/2015
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为了安全可靠地将纳米线用于不同种类的纳米器件，这些纳米线在外部应力作用下的结构演化变得非常重要。本文利用自制的原位原子尺度实验装置，在高分辨率透射电镜下进行了硅纳米线弯曲实验。直接动态原子尺度观测表明，位错形核、运动、逃逸和相互作用是Si纳米线具有较大塑性变形能力的原因。普遍的位错运动和相互作用诱导了Si纳米线中Lomer锁位错的形成。我们直接证明了在罗默位错上的连续应变引起了Si纳米线中的局部原子无序。这些结果有助于解释Si在纳米尺度上的超大塑性变形能力。
硅纳米线，原子尺度，原位，塑性变形，高分辨率透射电子显微镜
为了安全可靠地使用纳米线，外应力作用下纳米线的力学性能和结构演化变得非常重要。特别是，纳米线在弯曲应变下显示出新的特性和功能[1-6］．半导体纳米线因其在纳米技术领域的广泛应用而受到广泛关注，硅纳米线自成功制备以来就是其中最重要的一种。在过去的几十年里，对Si NWs的研究揭示了各种不同于体积的“不寻常变形现象”[5，7，8］．这些研究的结果表明，纳米材料中的基本位错过程与传统的体位错过程有很大不同[5，7，8］．揭示纳米材料的原子尺度变形机制并控制其弹塑性性质有助于实现所需的力学、物理和化学性质[7，8］．采用多种方法研究了硅新钨的力学性能。利用原子力显微镜(AFM)尖端，通过弯曲单个Si NWs获得了较大的断裂应变[9-11］．在扫描电子显微镜(SEM)内，以纳米机械臂为驱动器，AFM悬臂梁为负载传感器，观察到12%的大拉伸应变[12]，并且报道了Si NWs具有更高的弹性弯曲应变[13］．然而，通过这些研究，很少有结构演化过程与这些弯曲过程有关[9-14]这可能涉及高度活跃的塑性位错事件，因为这些研究中的断裂应变远远超过了理论弹性强度极限[15，16］．由于缺乏原子尺度上的直接研究，硅新钨的许多力学性能尚不清楚。
本文采用原位原子尺度实验技术[17-20.]，在超大弯曲应变(超过14%)下，原位研究了单Si NWs的原子尺度结构演化过程，并用高分辨率透射电镜(HRTEM)记录了这一过程。直接动态原子尺度观测表明，位错形核、运动、逃逸、相互作用以及原子无序是Si纳米线超大塑性应变的主要原因。
采用热蒸发技术合成了直径20 ~ 50 nm、长度几十微米的高质量硅纳米晶。Si NWs分散在之前破碎的TEM栅格上，栅格被胶体薄膜覆盖。分散的NWs可以桥接在开裂的胶体薄膜上(图1一个)．胶体薄膜在电子束照射下收缩，促使纳米线弯曲(图1 b)．利用HRTEM可以对单个NWs进行原位弯曲实验，并在原子尺度上记录实验过程。弯曲过程是通过电子束淋在胶体薄膜上进行的，以避免过度辐照。该胶体薄膜在应变速率为5.4 × 10的条件下持续收缩弯曲4/ s。
图1:(a)示意图显示，NWs分散在之前破碎的TEM栅格上，栅格被胶体薄膜覆盖。(b)一个例子表明，在电子束照射下，单个NW可以被胶体薄膜引起的弯曲应力所变形。
图2一个提供了西北向应变Si弯曲的TEM图像。根据传统公式ε弹性= r/(r + r)% [21]，其中R为弯曲曲率，R为Si NW晶体的半径，Si NW中最大应变为~1.3%。对于NW弯曲，上表面承受最大拉应变，而下表面承受最大压应变。图中和文中所示的应变表示NW方向的最大弯曲应变。大量的HRTEM观察表明，合成的NWs在达到弹性极限之前是无缺陷的。图2 b是一个典型的HRTEM图像，对应于的红色框区图2一个时，未观察到位错。
图2:低倍率透射电镜图像显示了单晶硅NW的弯曲过程。(b)红色框的HRTEM图像显示高度弯曲的弧形(111)格。HRTEM图像显示在达到弹性极限前未观察到位错。
图3 a - c显示了单晶硅NW连续弯曲过程的连续TEM图像。原位观察到全部和部分位错成核(图3 d)．在变形过程中，全位错在弯曲的NW底面成核，并逸出。对于部分位错，它们从弯曲的NW上表面(在拉伸应变下)发射，留下了一个能量成本较高的堆叠断层(图3 e)．部分位错属于滑动集[22，23]，部分位错的活化能要高得多[24］．体积Si在室温下从未观察到局部位错，因为它总是在小应变(0.1%-0.2%)下断裂。在室温下观察部分位错成核是很有趣的。在这里，部分位错成核可以解释为:(a)低维和无缺陷的结构使纳米材料能够承受高应变和高应力，从而提供足够的能量来激活位错，位错属于滑动组。(b)全位错滑动导致纳米线表面呈阶梯状，在Si中通过原子模拟观察到表面阶梯状的层错或微孪晶[25］．
图3:(a-c)三张低倍率TEM图像，显示了单个Si NW的弯曲过程。如(d)和(e)所观察到的，塑性位错事件是活跃的。(d)为(c)蓝色框区HRTEM放大图，高应变区观察到部分位错和全部位错。
图4 a-4d是单晶硅NW连续弯曲过程的另一个例子。Si NW的最大应变由4.9% (图4一)至约14.3% (图4 d)而不会突然失效。而图4 e-4h为原位观察原子尺度位错行为的HRTEM图像，对应的最大弯曲应变分别为2.2%、2.6%、4.9%和14.3%。图4 e为应变2.2%的典型HRTEM图像，表明在弹性极限前未观察到位错。当应变增加到2.6%时，弯曲Si NWs中观察到充分的位错活动。在图4 f，在弯曲Si NW的底面形成Burgers向量为1/ 2[101]的位错。观察到这些完全脱位是可移动的，因此有机会与进一步的拉伸相互作用。图4 g在原子尺度上对位错反应形成的Lomer锁位错进行了原位观察。绘制局部Burgers电路识别Burgers向量b (b =1/ 2[110])，表明有核是一种新的结构位错。双方都有额外的飞机(
)和(
)飞机。这种结构代表了lomo位错(LD) [26]，表示的Burgers向量
．LD是由两个非离解的全位错与Burgers向量相互作用形成的
而且
在两个相交滑移面上，在施加应变的作用下，滑动面分别运动
和
飞机。位错反应可以写成[26]：
(1）
图4:(A -d)一系列显示单个Si NW弯曲过程的低倍率TEM图像。Si NW上的应变由4.9%增加到14.3%。弯曲过程中未观察到裂纹。(e-h)同一区域HRTEM放大图像。相应菌株分别为2.2%、2.6%、4.9%和14.3%。
随着不断的拉伸，这些锁无法被拉开，被锁的晶格区域变得无序，导致原子无序。图4 h显示了在原子尺度上对LD形成和随后原子无序过程的原位观察。如图所示，随着应变的增加，LD锁的区域变得晶格无序。由于LD结不能在反应物位错的滑移面中滑动，因此预计LD结是固着的。随着应变的增加，这种无柄位错会使局部应力很大，更容易在该区域发生晶格失序。
综上所述，原位原子尺度观察表明，Si纳米线的超大弯曲应变涉及高活性塑料位错。在室温下，在塑性变形Si NWs中观察到部分位错和完全位错。位错成核、运动;位错相互作用导致Lomer锁的形成;纳米Si NWs的塑性变形能力是由无柄Lomer位错的连续应变引起的应变致失序造成的。
国家科学基金重点项目(50831001)、国家科学基金项目(10102001201304)、北京市新星计划项目(XXJH2015110)、北京市PXM201101420409000053和北京市211工程项目资助。高等学校博士点专项科研基金3C102001201301)。北京市高校创新型团队建设与教师职业发展项目(IDHT20140504)。
