Наноструктурированная пленка
Наноструктурированная пленка — это пленка, полученная в результате создания наноразмерных особенностей, таких как дислокации , границы зерен , дефекты или двойникование . В отличие от других наноструктур, таких как наночастицы , сама пленка может иметь толщину до нескольких микрон, но обладает большой концентрацией наноразмерных элементов, равномерно распределенных по всей пленке. Как и другие наноматериалы, наноструктурированные пленки вызвали большой интерес, поскольку они обладают уникальными свойствами, не встречающимися в объемных ненаноструктурированных материалах того же состава. В частности, наноструктурированные пленки стали предметом недавних исследований из-за их превосходных механических свойств, включая прочность , твердость и коррозионную стойкость, по сравнению с обычными пленками из того же материала. [1] Примеры наноструктурированных пленок включают пленки, полученные методом зернограничной инженерии, такие как нанодвойникованная ультрамелкозернистая медь , или двухфазную наноструктуризацию, такую как нанокомпозиты из кристаллического металла и аморфного металлического стекла. [2]
Синтез и характеристика
[ редактировать ]Наноструктурированные пленки обычно создаются с помощью магнетронного распыления из подходящего материала мишени. [3] Пленки могут быть элементными по своей природе, образованными путем распыления мишени из чистого металла, например меди, или состоять из сложных материалов. Изменение параметров, таких как скорость распыления, температура подложки и перерывы в распылении, позволяют создавать пленки с множеством различных наноструктурированных элементов. Контроль над нанодвойникованием, адаптация определенных типов границ зерен и ограничение движения и распространения дислокаций были продемонстрированы с использованием пленок, полученных методом магнетронного распыления. [4]
Методы, используемые для характеристики наноструктурированных пленок, включают просвечивающую электронную микроскопию , сканирующую электронную микроскопию , дифракцию обратного рассеяния электронов , фрезерование сфокусированным ионным лучом и наноиндентирование . [1] [2] Эти методы используются, поскольку они позволяют отображать наноразмерные структуры, включая дислокации, двойникование, границы зерен, морфологию пленки и атомную структуру.
Свойства материала
[ редактировать ]Наноструктурированные пленки представляют интерес благодаря своим превосходным механическим и физическим свойствам по сравнению с их обычным эквивалентом. Было обнаружено, что элементарные наноструктурированные пленки, состоящие из чистой меди, обладают хорошей термической стабильностью благодаря нанодвойниковой пленке, имеющей более высокую долю границ зерен. [1] Было обнаружено, что помимо более высокой термической стабильности медные пленки с высокой степенью нанодвойников обладают лучшей коррозионной стойкостью, чем медные пленки с низкой концентрацией нанодвойников. [5] Контроль доли зерен в материале с присутствием нанодвойников имеет большой потенциал для менее дорогих сплавов и покрытий с хорошей степенью коррозионной стойкости.
Показано, что сложные наноструктурированные пленки, состоящие из кристаллических ядер MgCu 2 , заключенных в аморфные стекловидные оболочки из того же материала, обладают близкой к идеальной механической прочностью. [2] Было обнаружено, что кристаллические ядра MgCu 2 , обычно размером менее 10 нм, существенно упрочняют материал, ограничивая движение дислокаций и зерен. Также было обнаружено, что сердечники способствуют повышению общей прочности материала, ограничивая движение полос сдвига в материале. Эта наноструктурированная пленка отличается как от кристаллических металлов, так и от аморфных металлических стекол, оба из которых демонстрируют такое поведение, как обратный эффект Холла-Петча и эффекты размягчения полос сдвига, которые не позволяют им достичь идеальных значений прочности. [2]
Приложения
[ редактировать ]Наноструктурированные пленки с превосходными механическими свойствами позволяют использовать ранее непригодные для использования материалы в новых приложениях, открывая возможности для развития областей, где покрытия активно используются, таких как аэрокосмическая, энергетическая и другие области техники. [6] Масштабируемость производства наноструктурированных пленок уже продемонстрирована, и прогнозируется, что повсеместное распространение методов распыления в промышленности будет способствовать включению наноструктурированных пленок в существующие приложения. [4]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б с д Чжао, Ифу; Ферниш, Тимоти Аллен; Касснер, Майкл Эрнест; Ходж, Андреа Мария (2012). «Термическая стабильность меди с высоким содержанием нанодвойников: роль границ зерен и текстуры». Журнал исследования материалов . 27 (24): 3049–3057. дои : 10.1557/jmr.2012.376 . ISSN 0884-2914 .
- ^ Jump up to: а б с д Ву, Ге; Чан, Ка-Чунг; Чжу, Линли; Солнце, Лиганг; Лу, Цзянь (2017). «Двухфазное наноструктурирование как путь к высокопрочным магниевым сплавам». Природа . 545 (7652): 80–83. дои : 10.1038/nature21691 . ПМИД 28379942 . S2CID 4463565 .
- ^ Поляков Михаил Н.; Чукаджорн, Тонджай; Мекленбург, Мэтью; Шу, Кристофер А.; Ходж, Андреа М. (15 апреля 2016 г.). «Распыленные наноструктуры Hf – Ti: исследование сегрегации и высокотемпературной стабильности» . Акта Материалия . 108 : 8–16. дои : 10.1016/j.actamat.2016.01.073 .
- ^ Jump up to: а б Ходж, AM; Ван, Ю.М.; Барби-младший, ТВ (15 августа 2006 г.). «Массовое производство нанодвойников ультрамелкозернистой меди» . Материаловедение и инженерия: А. 429 (1–2): 272–276. дои : 10.1016/j.msea.2006.05.109 .
- ^ Чжао, Ю.; Ченг, IC; Касснер, Мэн; Ходж, AM (апрель 2014 г.). «Влияние нанодвойников на коррозионное поведение меди». Акта Материалия . 67 : 181–188. дои : 10.1016/j.actamat.2013.12.030 .
- ^ Лу, Л.; Чен, X.; Хуанг, X.; Лу, К. (30 января 2009 г.). «Выявление максимальной прочности нанодвойников меди» . Наука . 323 (5914): 607–610. дои : 10.1126/science.1167641 . ISSN 0036-8075 . ПМИД 19179523 . S2CID 5357877 .