science >> Wetenschap >  >> nanotechnologie

Nanofabricage met behulp van thermomechanische nanomolding

Mechanisme van thermomechanisch nanomolding (TMNM). (A) TMNM gebruikt temperatuur en mechanische druk om grondstofmateriaal in nanomold-arrays te vormen. (B) Besproken materiaaltransportmechanismen op deze lengteschaal resulteren in verschillende lengteschalen, L versus d. Bulkdiffusie (Vgl. 1) resulteert in L(d) ∝ const, interfacediffusie geeft L(d)∝1d√ (Vgl. 2), en, voor een dislocatie-slipmechanisme, L(d) ∝dx (x ∈ [ 1,2]) (Vergelijking 3). (C) L(d) schaalexperimenten onthullen het temperatuurafhankelijke mechanisme voor TMNM van Ag. Interfacediffusie domineert TMNM bij hoge temperaturen, T> 0,4 ​​Tm, terwijl dislocatieslip het overneemt bij lage temperaturen, T <0,4 Tm. (D) Om TMNM over verschillende systemen te vergelijken, normaliseren we de vormlengte L tot L'=L/8pΩtkBT−−−−√. Absolute waarden van experimenteel bepaalde L van Au, Ag en Cu suggereren een interface-diffusiemechanisme. De over elkaar liggende lijnen vertegenwoordigen de grootte van de genormaliseerde vormlengte voor interfacediffusie, (L′)2 =δDI/d en bulkdiffusie, (L′)2~DL/4 (sectie S3). (E en F) Afbeeldingen van Ag-nanodraden die overeenkomen met de gegevens in (C). Credit:Science Advances, Doi:10.1126/sciadv.abi4567

Vooruitgang in nanotechnologie vereist de ontwikkeling van nanofabricagemethoden voor een verscheidenheid aan beschikbare materialen, elementen en parameters. Bestaande methoden hebben geen specifieke kenmerken en algemene methoden voor veelzijdige nanofabricage blijven ongrijpbaar. In een nieuw rapport dat nu is gepubliceerd in Science Advances , beschreven Naijia Liu, Guannan Liu en een team van wetenschappers in werktuigbouwkunde en materiaalkunde aan de Yale University en de University of Connecticut in de VS de onderliggende mechanismen van thermomechanisch nanomolding om een ​​zeer veelzijdige benadering van nanofabricage te onthullen. Op basis van de resultaten konden ze het vermogen om algemene materialen te ontwikkelen met materiaalcombinaties en lengteschalen reguleren, combineren en voorspellen. De mechanistische oorsprong van thermomechanische nanomolding en hun temperatuurafhankelijke overgang zorgden voor een proces om veel materialen in nanostructuren te combineren en elk materiaal in vormbare vormen op nanoschaal te leveren.

Thermomechanische nanomolding (TMNM)

Onderzoekers moeten de methoden van nanofabricage bevorderen om nanodevices te ontwikkelen als antwoord op de steeds toenemende eisen van toepassingen op nanoschaal. Het is daarom ideaal om een ​​fabricagemethode te vergemakkelijken die een reeks materialen kan ontwikkelen met verschillende kenmerken, waaronder vormen, lengtes en een gereguleerde elementaire nano-architectuur. De eisen kunnen zich uitstrekken over verschillende gebieden, variërend van optica, elektronica, life science en energiewinning tot kwantummaterialen. Hoewel onderzoekers al veel methoden hebben ontwikkeld om dergelijke toepassingen te realiseren, zijn de meeste nanofabricagemethoden relatief beperkt. Om een ​​veelzijdige nanofabricagemethode te produceren die een proces biedt om de grootte, vorm, chemie en elementaire distributie binnen de nanodraad te reguleren, moeten onderzoekers diepere inzichten verkrijgen in de onderliggende mechanismen van fabricage, lengteregulatie, de samenstelling van elementen en hun transport. Thermomechanical nanomolding (TMNM) is een recente vooruitgang die is gerealiseerd in metalen, die kan worden onderzocht voor nanofabricage. In dit werk, Liu et al. identificeerde de grootte en temperatuurafhankelijke onderliggende mechanismen van TMNM om een ​​verscheidenheid aan materialen en materiaalcombinaties aan te bieden, evenals elementaire distributies over een reeks materialen.

Materialen en lengteschalen die via TMNM kunnen worden gerealiseerd. (A) Geschatte vormlengte als functie van vormafmetingen bij tussenliggende vormtemperatuur toont de overgang van het dominerende vormmechanisme in TMNM van gecontroleerde diffusie van de interface naar dislocatieslip. TMNM kan een groot aantal lengteschalen fabriceren van 5 nm (Ag, L ~ 8 m) gecontroleerd door diffusie tot millimeters (Au, ~ 1 mm) door dislocatie. (B) Au-sample hiërarchische structuren die bestaan ​​uit een hexagonaal micropatroon (1 mm, door dislocatieslip) gecombineerd met nanodraadarrays (250 nm, via interfacediffusie). (C) Berekende beeldverhouding (L/d) volgens Vgl. 2 voor interfacediffusie als functie van temperatuur voor representatieve materialen van metalen (blauw), niet-metalen (oranje), oxiden/keramiek (rood) en geordende fasen (groen) inclusief verschillende functionele materialen. Credit:Science Advances, Doi:10.1126/sciadv.abi4567

De onderliggende mechanismen van TMNM (thermomechanical nanomolding) begrijpen

Om nanostructuren te ontwikkelen, hebben Liu et al. dreef de grondstof (grondstof) onder een toegepaste druk en verhoogde temperatuur in een harde mal met nanopatroon. Ze schatten bulkdiffusie, interfacediffusie en dislocatieslip om dit proces te reguleren als onderliggende mechanismen. Om de fundamentele mechanismen van TMNM te identificeren, analyseerden de wetenschappers de vormlengte versus de vormomstandigheden. De schaling voor bulk- en interfacediffusie is gebaseerd op de wet van Fick. Ze gebruikten schaalexperimenten om de mechanismen van TMNM te bepalen voor een bepaalde set verwerkingsparameters om door diffusie gedomineerde TMNM bij hoge homologe temperaturen te onthullen. Ter vergelijking:bij lage homologe temperaturen domineerde het mechanisme van dislocatieslip de TMNM. De experimentele bevindingen toonden aan dat ofwel het diffusie- ofwel het dislocatiemechanisme beter kan worden beschreven via een superpositie van beide mechanismen. De overgangen in de mechanismen die TMNM regelen, deden zich niet alleen voor met alleen de temperatuur, maar ook met de vormgrootte. Met behulp van de methode ontwikkelde het team via diffusie ultradunne nanodraden tot een diameter van 5 nm. Het was echter een uitdaging om mallen met een kleinere diameter te ontwikkelen. Om draden met een kleinere diameter te vormen, gebruikten ze een dislocatie-slip gedomineerde TMNM. Op deze manier konden de onderzoekers een eenstaps gietproces gebruiken om zowel micro- als nanokenmerken te ontwikkelen op basis van respectievelijk dislocatie-slip-gedomineerde mechanismen en een interface-diffusiemechanisme. De methode maakt ook veelzijdigheid mogelijk in een reeks materialen, waaronder pure metalen, niet-metalen elementen, oxiden en keramiek.

TMNM met behulp van meerlagige grondstof. (A en B) Heterostructuur nanodraden worden vervaardigd bij gebruik van lagen als grondstof. Hier gebruiken we Ag/Cu-lagen als voorbeeld. De gefabriceerde heterostructuren zijn met verschillende regio's van in wezen zuiver Ag en Cu. Bij gebruik van Ag/Cu-gelaagde structuur met Ag-laag naar de mal gericht en Cu weg van de mal, is de volgorde in de heterostructuur nanodraden identiek aan de volgorde in de grondstof (A). Bij gebruik van een Cu/Ag-gelaagde structuur met Cu-laag naar de mal gericht en Ag weg van de mal, is de volgorde in de heterostructuur nanodraden (Ag-Cu) echter omgekeerd ten opzichte van die van de grondstof Cu/Ag (B). (C) Temperatuurafhankelijke vormmechanismen voor Ag en Cu waarbij de overgangstemperatuur (Ttr) wordt weergegeven, die de overgang aangeeft van dislocatie-slip-gedomineerd naar een interface-diffusie-gedomineerd vormmechanisme. In het geval van (A) en (B) resulteert de hogere diffusiviteit van het grensvlak in Ag in een lagere Ttr dan in Cu. Een vormtemperatuur van Ttr, Ag

Ontwikkeling van heterostructuren

De experimentele omstandigheden stelden het team ook in staat om de elementaire distributies te reguleren en een reeks heterostructuur-nanodraden te vormen, met bijzondere interesse voor vele toepassingen, waaronder nanodevices met werkingsprincipes die afhankelijk zijn van functionele interfaces, fotodetectoren, veldeffecttransistors en lichtemitterende diodes. Om de ontwikkeling van heterostructuur nanodraden met behulp van TMNM te laten zien, heeft het team koper (Cu) en zilver (Ag) lagen verwerkt en verschillende orden van deze lagen in de grondstof overwogen. Ze lieten zien hoe door diffusie gedomineerde TMNM nanodraden van eenkristalstructuren vormde, terwijl nanodraden gevormd via dislocatieslip polykristallijn waren of een 'bamboe'-korrelstructuur behielden. Liu et al. de Cu-Ag-heterostructuren en de Ag/Cu-interface verder bestudeerd met behulp van transmissie-elektronenmicroscopie. De resultaten toonden een scherp en schoon grensvlak tussen zilver en koper.

TMNM als toolbox om elementaire distributies te controleren. Het bereik van elementaire distributies dat kan worden bereikt door TMNM met legeringen of gelaagde structuur als grondstof. Door grondstoffen met verschillende materiaalcombinaties te gebruiken en rekening te houden met hun relatieve diffusiviteiten en het regelen van vormmechanismen (gieten boven of onder Ttr) van elke component, kunnen we de chemie en structuur van de nanodraden beheersen. In de 11 genoemde gevallen worden homogene legeringen en gelaagde elementgrondstoffen gebruikt. Hun relatieve diffusiviteiten en Ttr voor de betrokken elementen ten opzichte van de vormtemperatuur bepalen de elementaire verdeling binnen de nanodraad. Dit kan een homogene legering zijn (i tot iii), enkelvoudig element (iv tot vii) of heterostructuur nanodraden (viii tot xi). De onderste rij toont voorbeeldsystemen voor de specifieke gevallen. Credit:Science Advances, Doi:10.1126/sciadv.abi4567

Vooruitzichten

Op deze manier toonden Naijia Liu en collega's de mogelijkheid om elementaire distributie op de nanodraad te reguleren door de verwerkings- en materiaaleigenschappen te ontwerpen met behulp van het TMNM-proces (thermomechanical nanomolding) om veelzijdige nanostructuren te bereiken. Een aspect van het experiment omvatte de grondstof, die kan worden gelegeerd of tot gelaagde structuren kan worden gemaakt. Het team hield rekening met de relatieve diffusie van de elementen om hun aanwezigheid in de grondstof te bepalen. Met behulp van de techniek, Liu et al. zou een homogene legering nanodraad kunnen ontwikkelen. Ze benadrukten hoe de onderliggende mechanismen van TMNM waren gebaseerd op temperatuur- en grootteafhankelijke overgangen. Bij hoge temperatuur en kleine variaties in grootte was de methode bijvoorbeeld afhankelijk van diffusie op het grensvlak van het materiaal en de mal. Bij grotere afmetingen en lage temperatuur domineerde het mechanisme van dislocatieslip de uitkomst. De beschreven techniek van thermomechanisch nanomolding is een krachtige paradigmaverschuiving om nano-toepassingen met gewenste eigenschappen op nanoschaal te implementeren. + Verder verkennen

Borofenen gemakkelijk gemaakt

© 2021 Science X Network




Meer >

Meer >

Hoofdlijnen

  1. Maki's zijn raar omdat het fruit van Madagascar raar is
  2. Kan een naaimachine DNA aan elkaar naaien?
  3. Onderzoekers rapporteren een fundamentele spiersnelheidslimiet
  4. Een JELL-O-model van een diercel maken
  5. Wat zijn de oorzaken van genotype en fenotype?
  6. Kaarten uit de Eerste Wereldoorlog helpen de geschiedenis van kelpbossen in Pacific Northwest te volgen
  7. Nieuwe biobronnen voor plantaardige peptidehormonen met behulp van technologie voor het bewerken van genen
  8. Wat is de Western Blot-test?
  9. Nieuw type stamcellijn geproduceerd biedt uitgebreide mogelijkheden voor onderzoek en behandelingen

Wetenschap