據(jù)悉,加拿大滑鐵盧大學(xué)的科研人員報(bào)道飛秒激光誘導(dǎo)的氧化銅納米線可塑性的研究。相關(guān)研究以“Femtosecond laser-induced plasticity in CuO nanowires”為題發(fā)表在《Applied Surface Science》上。
金屬氧化物納米線是制造納米器件(尤其是應(yīng)變傳感器)的理想材料。然而,這些材料的固有脆性限制了其應(yīng)用??蒲腥藛T證明,通過(guò)飛秒激光輻照進(jìn)行二次處理,可以解決這一限制??蒲腥藛T的研究表明,氧化銅納米線在室溫下的力學(xué)性能可以調(diào)節(jié),以減少脆性破壞并增強(qiáng)塑性??蒲腥藛T利用透射電子顯微鏡圖像研究了飛秒激光處理誘導(dǎo)塑性的微觀機(jī)制。在適度的激光輻照強(qiáng)度下,這種處理方法通過(guò)產(chǎn)生更高密度的氧空位來(lái)誘導(dǎo)氧化銅納米線的塑性,從而使納米線的構(gòu)型從斷裂變?yōu)閺澢?。在彎曲的納米線中,由于高應(yīng)變率,空位從彎曲拉伸區(qū)遷移到壓縮區(qū),導(dǎo)致局部激光誘導(dǎo)氧化銅向缺氧成分相變。飛秒激光誘導(dǎo)的氧空位凝聚為擴(kuò)散機(jī)制的激活鋪平了道路,而擴(kuò)散機(jī)制反過(guò)來(lái)又促進(jìn)了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng),從而導(dǎo)致了亞結(jié)構(gòu)的發(fā)展。此外,納米壓痕分析還進(jìn)一步證明了飛秒加工納米線具有類似金屬的塑性行為。這一結(jié)果可用于提高納米線在未來(lái)應(yīng)用中的性能。
亮點(diǎn):
1.飛秒激光在氧化銅納米線中誘導(dǎo)出高密度的氧空位。
2.誘導(dǎo)的空位促進(jìn)了亞結(jié)構(gòu)和亞晶粒的形成。
3.彎曲過(guò)程中空位凝聚形成擴(kuò)散路徑。
4.氧空位形成局部缺氧相。
5.飛秒激光通過(guò)產(chǎn)生缺陷增強(qiáng)氧化銅納米線的可塑性。
圖 1:a)飛秒脈沖激光輻照裝置示意圖;b)所制備納米線薄膜取向良好、垂直排列的SEM圖像;c,d)所制備單晶單斜CuO納米線的明場(chǎng)TEM 圖像,以及相應(yīng)的SAD圖樣和EDS分析。
圖 2.在a)80 mJ/cm2下15秒、b) 80 mJ/cm2下50秒、c) 120 mJ/cm2下15秒、d)120 mJ/cm2下50秒、e) 180 mJ/cm2下15秒和f) 180 mJ/cm2下50秒激光加工后氧化銅納米線的掃描電鏡圖像。
圖 3.制備前與飛秒輻照后氧化銅納米線的XPS分析。
圖 4.XRD分析追蹤激光加工氧化銅納米線試樣相對(duì)于未加工試樣的結(jié)構(gòu)變化。
圖 5.原始和激光加工過(guò)的氧化銅納米線樣品的納米壓痕測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置和結(jié)果。
圖 6.在120 mJ/cm2的通量下激光照射50秒后彎曲納米線的TEM表征。
圖 7.飛秒激光輻照后CuO納米線在彎曲過(guò)程中頸縮區(qū)域內(nèi)的亞結(jié)構(gòu)演變示意圖。
圖 8.在 120 mJ/cm2的通量下激光照射50秒后,CuO 納米線橫截面的TEM 表征。
本文對(duì)飛秒激光輻照下氧化銅納米線的結(jié)構(gòu)演變進(jìn)行了全面分析,強(qiáng)調(diào)了增強(qiáng)脆性氧化銅納米線可塑性的機(jī)制。研究表明,飛秒激光可有效地用于氧化銅納米線機(jī)械性能的原位工程。使用優(yōu)化的激光能量和輻照時(shí)間作為加工參數(shù),當(dāng)樣品受到120 mJ/cm2能量的脈沖輻照時(shí),可以觀察到從脆性到塑性的明顯轉(zhuǎn)變。在這些條件下,單個(gè)氧化銅納米線在機(jī)械載荷的作用下保持不斷裂,但大部分會(huì)彎曲,變得具有延展性。對(duì)XPS數(shù)據(jù)的分析表明,這種行為與氧空位缺陷密度的增加相對(duì)應(yīng)。這表明飛秒激光輻照產(chǎn)生的高密度氧空位在彎曲過(guò)程中容納應(yīng)變和抑制導(dǎo)致斷裂的機(jī)制方面起著至關(guān)重要的作用。在HRTEM顯微照片中可以明顯追蹤到這一過(guò)程,它源于氧空位凝聚產(chǎn)生的擴(kuò)散機(jī)制的激活。它們使原子具有流動(dòng)性,從而在單晶納米線的橫截面上形成不同的晶粒,從而促進(jìn)了納米通道內(nèi)的位錯(cuò)滑行。研究還發(fā)現(xiàn),輻照氧化銅納米線的局部區(qū)域發(fā)生了從氧化銅到缺氧相的相變,從而增強(qiáng)了非彈性響應(yīng)。通過(guò)XRD和HRTEM獲得的納米衍射圖樣證實(shí)了這些納米線中存在Cu2O相。這些結(jié)構(gòu)改性促進(jìn)了從脆性斷裂模式到更具韌性的類金屬行為的轉(zhuǎn)變。這種轉(zhuǎn)變的特點(diǎn)是出現(xiàn)了明顯的縮頸現(xiàn)象,證實(shí)了輻照樣品中材料響應(yīng)性質(zhì)的轉(zhuǎn)變。根據(jù)屈服壓力定律,從納米壓痕測(cè)試中獲得的H/Py比率在激光加工樣品中從未加工脆性氧化銅納米線的2.2增至3.2,表明從脆性區(qū)域過(guò)渡到塑性區(qū)域。
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