Meccanismo di nanostampaggio termomeccanico (TMNM). (A) TMNM utilizza la temperatura e la pressione meccanica per modellare il materiale della materia prima in array di nanostampi. (B) I meccanismi di trasporto del materiale discussi su questa scala di lunghezza determinano un diverso ridimensionamento della lunghezza, L rispetto a d. La diffusione di massa (Eq. 1) risulta in L(d) ∝ const, la diffusione dell'interfaccia fornisce L(d)∝1d√ (Eq. 2) e, per un meccanismo di scorrimento della dislocazione, L(d) ∝dx (x ∈ [ 1,2]) (Eq. 3). (C) Gli esperimenti di ridimensionamento L(d) rivelano il meccanismo dipendente dalla temperatura per TMNM di Ag. La diffusione dell'interfaccia domina il TMNM alle alte temperature, T> 0,4 Tm, mentre lo scorrimento della dislocazione prende il sopravvento alle basse temperature, T <0,4 Tm. (D) Per confrontare TMNM tra diversi sistemi, normalizziamo la lunghezza di formazione da L a L'=L/8pΩtkBT−−−−√. I valori assoluti di L determinato sperimentalmente da Au, Ag e Cu suggeriscono un meccanismo di diffusione dell'interfaccia. Le linee sovrapposte rappresentano l'ampiezza della lunghezza di stampaggio normalizzata per la diffusione dell'interfaccia, (L′)2 =δDI/d e la diffusione di massa, (L′)2~DL/4 (sezione S3). (E e F) Immagini di nanofili Ag corrispondenti ai dati in (C). Credito:Science Advances, Doi:10.1126/sciadv.abi4567
I progressi nella nanotecnologia richiedono lo sviluppo di metodi di nanofabbricazione per una varietà di materiali, elementi e parametri disponibili. I metodi esistenti non possiedono caratteristiche specifiche e i metodi generali di nanofabbricazione versatile rimangono sfuggenti. In un nuovo rapporto ora pubblicato in Science Advances , Naijia Liu, Guannan Liu e un team di scienziati in ingegneria meccanica e scienza dei materiali presso l'Università di Yale e l'Università del Connecticut negli Stati Uniti hanno descritto i meccanismi alla base del nanostampaggio termomeccanico per rivelare un approccio di nanofabbricazione altamente versatile. Sulla base dei risultati, potrebbero regolare, combinare e prevedere la capacità di sviluppare materiali generali con combinazioni di materiali e scale di lunghezza. Le origini meccanicistiche del nanostampaggio termomeccanico e la loro transizione dipendente dalla temperatura hanno fornito un processo per combinare molti materiali in nanostrutture e fornire qualsiasi materiale in forme modellabili su scala nanometrica.
Nanostampaggio termomeccanico (TMNM)
I ricercatori devono promuovere i metodi di nanofabbricazione per sviluppare nanodispositivi in risposta alle sempre crescenti richieste di applicazioni su scala nanometrica. È quindi l'ideale per facilitare un metodo di fabbricazione in grado di sviluppare una gamma di materiali con caratteristiche diverse tra cui forme, lunghezze e una nanoarchitettura elementare regolamentata. Le richieste possono abbracciare diversi campi che vanno dall'ottica, all'elettronica, alle scienze della vita e alla raccolta di energia fino ai materiali quantistici. Sebbene i ricercatori abbiano già sviluppato molti metodi per realizzare tali applicazioni, la maggior parte dei metodi di nanofabbricazione sono relativamente limitati. Per produrre un metodo di nanofabbricazione versatile che fornisca un processo per regolare le dimensioni, la forma, la chimica e la distribuzione degli elementi all'interno del nanofilo, i ricercatori devono ottenere informazioni più approfondite sui meccanismi alla base della fabbricazione, della regolazione della lunghezza, della composizione degli elementi e del loro trasporto. Il nanostampaggio termomeccanico (TMNM) è un progresso recente realizzato nei metalli, che può essere esplorato per la nanofabbricazione. In questo lavoro, Liu et al. identificato le dimensioni e i meccanismi alla base dipendenti dalla temperatura di TMNM per offrire una varietà di materiali e combinazioni di materiali, nonché distribuzioni elementari su una vasta gamma di materiali.
Materiali e scale di lunghezza realizzabili tramite TMNM. (A) La lunghezza di stampaggio stimata in funzione della dimensione di stampaggio alla temperatura di stampaggio intermedia mostra la transizione del meccanismo di stampaggio dominante in TMNM dalla diffusione dell'interfaccia controllata allo scorrimento di dislocazione. TMNM può fabbricare una vasta gamma di scale di lunghezza da 5 nm (Ag, L ~ 8 μm) controllate per diffusione a millimetri (Au, ~ 1 mm) per dislocazione. (B) Strutture gerarchiche di campioni Au che compongono un micropattern esagonale (1 mm, tramite slittamento di dislocazione) combinato con array di nanofili (250 nm, attraverso la diffusione dell'interfaccia). (C) Rapporto di aspetto dello stampaggio calcolato (L/d) secondo l'Eq. 2 per la diffusione dell'interfaccia in funzione della temperatura per materiali rappresentativi da metalli (blu), non metalli (arancione), ossidi/ceramiche (rosso) e fasi ordinate (verde) inclusi vari materiali funzionali. Credito:Science Advances, Doi:10.1126/sciadv.abi4567
Per sviluppare nanostrutture, Liu et al. ha guidato la materia prima (grezza) sotto una pressione applicata e una temperatura elevata in uno stampo duro con nanomodelli. Hanno stimato la diffusione di massa, la diffusione dell'interfaccia e lo slittamento della dislocazione per regolare questo processo come meccanismi sottostanti. Per identificare i meccanismi fondamentali della TMNM, gli scienziati hanno analizzato la lunghezza di stampaggio rispetto alle condizioni di stampaggio. Il ridimensionamento per la diffusione di massa e interfaccia si basa sulla legge di Fick. Hanno utilizzato esperimenti di ridimensionamento per determinare i meccanismi di TMNM per un determinato insieme di parametri di elaborazione per rivelare TMNM dominato dalla diffusione a temperature omologhe elevate. Comparativamente, a basse temperature omologhe, il meccanismo di scorrimento della dislocazione ha dominato il TMNM. I risultati sperimentali hanno mostrato che il meccanismo di diffusione o di dislocazione potrebbe essere meglio descritto tramite una sovrapposizione di entrambi i meccanismi. Le transizioni nei meccanismi che controllano il TMNM non si sono verificate solo con la temperatura, ma anche con le dimensioni dello stampaggio. Utilizzando il metodo, il team ha sviluppato nanofili ultrasottili con un diametro fino a 5 nm tramite diffusione. Tuttavia, è stato difficile sviluppare stampi con un diametro più piccolo. Per formare fili di diametro inferiore, hanno utilizzato un TMNM dominato dallo slittamento della dislocazione. In questo modo, i ricercatori potrebbero utilizzare un processo di stampaggio in una fase per sviluppare sia micro che nanocaratteristiche basate rispettivamente su meccanismi dominati dallo slittamento della dislocazione e un meccanismo di diffusione dell'interfaccia. Il metodo consente inoltre versatilità su una vasta gamma di materiali, inclusi metalli puri, elementi non metallici, ossidi e ceramiche.
TMNM utilizzando materia prima multistrato. (A e B) I nanofili di eterostruttura vengono fabbricati quando si utilizzano strati come materia prima. Qui, utilizziamo strati Ag/Cu come esempio. Le eterostrutture fabbricate sono con regioni distinte di Ag e Cu essenzialmente puri. Quando si utilizza la struttura a strati Ag/Cu con lo strato di Ag rivolto verso lo stampo e il Cu lontano dallo stampo, l'ordine nei nanofili di eterostruttura è identico all'ordine nella materia prima (A). Quando si utilizza una struttura a strati Cu/Ag con uno strato di Cu rivolto verso lo stampo e Ag lontano dallo stampo, tuttavia, l'ordine nei nanofili di eterostruttura (Ag─Cu) si è invertito rispetto a quello della carica Cu/Ag (B). (C) Meccanismi di stampaggio dipendenti dalla temperatura per Ag e Cu in cui viene mostrata la temperatura di transizione (Ttr), che indica la transizione da un meccanismo di stampaggio dominato dallo scivolamento della dislocazione a un meccanismo di stampaggio dominato dalla diffusione dell'interfaccia. Nel caso di (A) e (B), la maggiore diffusività dell'interfaccia in Ag risulta in Ttr inferiore rispetto a Cu. Una temperatura di stampaggio di Ttr, Ag
Sviluppo di eterostrutture
Le condizioni sperimentali hanno inoltre consentito al team di regolare le distribuzioni elementari e formare una gamma di nanofili eterostrutturali, con particolare interesse per molte applicazioni, inclusi nanodispositivi con principi di funzionamento basati su interfacce funzionali, fotorilevatori, transistor ad effetto di campo e diodi emettitori di luce. Per mostrare lo sviluppo di nanofili di eterostruttura utilizzando TMNM, il team ha incorporato strati di rame (Cu) e argento (Ag) e ha considerato diversi ordini di questi strati nella materia prima. Hanno mostrato come il TMNM dominato dalla diffusione formasse nanofili di strutture a cristallo singolo, mentre i nanofili formati tramite slittamento di dislocazione erano policristallini o mantenevano una struttura a grani di "bambù". Liu et al. ha ulteriormente studiato le eterostrutture Cu-Ag e l'interfaccia Ag/Cu utilizzando la microscopia elettronica a trasmissione. I risultati hanno mostrato un'interfaccia nitida e pulita tra argento e rame.
TMNM come cassetta degli attrezzi per controllare le distribuzioni elementari. La gamma di distribuzioni elementari che possono essere ottenute tramite TMNM utilizzando leghe o struttura a strati come materia prima. Utilizzando materie prime con diverse combinazioni di materiali e considerando le loro relative diffusività e controllando i meccanismi di stampaggio (stampaggio sopra o sotto Ttr) di ciascun componente, possiamo controllare la chimica e la struttura dei nanofili. Negli 11 casi elencati vengono utilizzate leghe omogenee e cariche di elementi stratificati. Le loro diffusività relative e Ttr per gli elementi coinvolti rispetto alla temperatura di stampaggio definiscono la distribuzione elementare all'interno del nanofilo. Questa può essere una lega omogenea (da i a iii), un singolo elemento (da iv a vii) o nanofili di eterostruttura (da viii a xi). La riga inferiore mostra sistemi di esempio per i casi specifici. Credito:Science Advances, Doi:10.1126/sciadv.abi4567
Prospettiva
In questo modo, Naijia Liu e colleghi hanno mostrato la possibilità di regolare la distribuzione degli elementi sul nanofilo progettando la lavorazione e le proprietà dei materiali utilizzando il processo TMNM (nanostampaggio termomeccanico) per ottenere nanostrutture versatili. Un aspetto dell'esperimento includeva la materia prima, che poteva essere legata o trasformata in strutture a strati. Il team ha considerato la diffusività relativa degli elementi per definire la loro presenza nella materia prima. Utilizzando la tecnica, Liu et al. potrebbe sviluppare un nanofilo di lega omogeneo. Hanno evidenziato come i meccanismi alla base della TMNM fossero basati su transizioni dipendenti dalla temperatura e dalle dimensioni. Ad esempio, con variazioni di temperatura elevate e piccole dimensioni, il metodo dipendeva dalla diffusione all'interfaccia del materiale e dello stampo. A dimensioni maggiori ea bassa temperatura, il meccanismo di scorrimento della lussazione ha dominato il risultato. La tecnica descritta di nanostampaggio termomeccanico è un potente cambio di paradigma per implementare nano-applicazioni con le caratteristiche desiderate su scala nanometrica. + Esplora ulteriormente
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