Nat. Commun. :浙江大学利用原位透射电镜技术研究材料电脉冲塑性微观起源


发布时间:

2022-12-09

以金为代表的金属材料在微/纳机电系统(Micro/nano electromechanical systems)以及纳米电子器件中往往被用作为电极,在工作环境中,特别是集成度较高的系统中,这些材料可能会承受较高的电流密度。

以金为代表的金属材料在微/纳机电系统(Micro/nano electromechanical systems)以及纳米电子器件中往往被用作为电极,在工作环境中,特别是集成度较高的系统中,这些材料可能会承受较高的电流密度。除此之外在电脉冲的作用下,这些材料也可能会产生一定程度的退化和失效。在纳米电子器件中,以相变存储器为例,电信号往往是以脉冲的形式施加的,过载的电脉冲会导致材料结构的巨大变化,甚至是器件的灾难性失效。但是电脉冲诱导的退化起源仍然是不太清楚的。另一方面,高能电脉冲处理也是调控金属功能材料微观结构和机械性能的有效方法,许多研究表明,包括钢、钛合金和镁合金在内的金属材料的成形性可以通过高能电脉冲加工显著提高,这通常被归因于电致塑性。依据经典模型,电脉冲施加后,大量漂移电子会跟原子发生碰撞,将动量传递给原子,形成电子风力(electron wind force)从而提高缺陷和界面的移动性。大家认为电子风力在电迁移、电致塑性(electroplasticity)中发挥着主导作用。但是以往的研究往往难以有效排除电流热效应、热应力以及由此诱发的缺陷交互作用的影响,使得材料电致塑性的微观起源存在争议。

近日浙江大学材料科学与工程学院张泽院士、王江伟研究员团队巧妙的设计了透射电镜内的原位实验,研究了金纳米晶在超短电脉冲条件(~3 ns)下的缺陷动力学特征,揭示了Σ3{112}非共格孪晶界的非定向移动机制,系统讨论了电热效应、热耗散、集肤效应等。定量分析结果表明,这种非共格孪晶界的非定向移动是电子和位错的直接交互作用导致的,而不是传统电子风力引起的。在施加电脉冲后,电子与位错的交互作用可导致位错核心处的原子发生不规则振荡、偏离平衡位置,从而导致缺陷迁移;同时,位错核原子的振动引起一定的晶格畸变和残余应力,导致非共格孪晶界在电脉冲间隙中发生缓慢弛豫。

相关研究成果以“Revealing the pulse-induced electroplasticity by decoupling electron wind force”为题发表在《Nature Communications》上。博士生李兴为论文的第一作者,张泽院士、王江伟研究员为论文的通讯作者,武汉大学郑赫教授,内布拉斯加大学林肯分校王健教授参与了本工作。

原文链接:https://www.nature.com/articles/s41467-022-34333-2  

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Fig. 1透射电镜中原位电脉冲实验装置的搭建  

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Fig.2 Au纳米晶中脉冲导致的非共格孪晶界迁移  

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Fig.3 电脉冲作用下Σ3{112}非共格孪晶界的非定向移动

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Fig.4 实验中用到的安徽泽攸科技有限公司生产的电学测量原位样品杆

在该研究成果中:研究人员以金纳米晶体作为研究对象,研究了电脉冲作用下晶体缺陷的动力学变化。他们采用纳秒级(~3ns)的电脉冲宽度将焦耳热效应降低到了最小,同时将缺陷密度降低到了最小,排除了潜在的缺陷交互作用。系统研究了缺陷的产生、移动以及湮灭过程,进一步完善和发展了电激活理论。为揭示电塑性的微观起源提供了原子尺度证据,为微/纳机电系统的失效提供了理论指导。