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纳米线的柔性、自支撑特性及一维电子、光子、声子等能量传导功能使其在微纳器件领域富有前景;作为目前半导体产业的基石,硅基材料的纳米线结构与先进物性研究尤为重要。单质硅纳米线的生长理论、制备、物性及器件研究在过去二十多年间取得了较大进展;然而,源于制备方面的困难,硅基化合化物纳米线的研究仍不充分。得益于对硅基材料多年的研究积累,中山大学王成新教授、孙勇副教授团队前期成功制备高质量、超长Mn5Si3@SiO2纳米电缆,并报道了作为柔性纳米互连导线用于极端恶劣环境的优势(Nat. Commun. 2020, 11, 647)。
从纳米线柔性器件角度,力特性是一个避不开的核心课题。比如,不论作为柔性传导还是功能组元,需要具备可观的大应变耐受能力,同时不会导致性能退化。在不同的应用环境中,对纳米线材料的力学特性要求往往是不一样的。因此,使纳米线结构具有特殊的力学性质将具有重要意义。近期,基于原子力显微镜,扫描电子显微镜,高分辨透射电子显微镜等设备,合理地设计原位、半原位实验,该团队进一步地系统研究了Mn5Si3@SiO2纳米电缆可调控的力学行为(弹性,粘弹性,塑性; 图1),并从晶格尺度揭示了相应的微观机制(弹性核与塑性壳之间的协同与竞争关系)。
图1. (a)Mn5Si3@SiO2纳米线SEM及TEM表征;(b)可调控力学行为示意图
得益于SiO2壳和Mn5Si3核具有匹配的杨氏模量与厚度关系,同时以过渡界面紧密结合,二者在纳米线弯曲和单轴拉伸过程中产生力学上的协同效应,表现出非线性的弹性行为(图2a),并可承载较大的弯曲应变(~13.75%,而后脆断)。考虑到非晶态纳米SiO2中Si-O键在获得能量后可断裂并键合重组,进而产生局部塑性,实验采用应变条件下电子束辐照的方式提供能量输入并诱导Si-O 键Bonding switching行为的发生,通过改变加速电压与束流密度,不仅实现纳米线从一般弹性(Elasticity,图2b)到粘弹性(Viscoelasticity, 图2c)的转变,在大束流密度和大应变条件下可实现整根纳米线的塑性行为(图2b和图2e)。原位高分辨透射电镜表征显示,脆性的Mn5Si3核在此过程中并未发生断裂或产生可观测到的Nanocracks,而是在SiO2包层的紧密束缚下发生了复杂的位错运动从而消化了内应力(图2f)。这些结果说明,致密包覆的纳米氧化硅不仅使某些弹性、脆性材料具备可调控的力学行为,同时可显著改变材料在应变条件下的晶格动力学,该机制经实验评估可推广到其它特定的材料体系当中。
图2. (a)三点弯曲法力曲线测试;(b)弱电子束与强电子束辐照下两种弯曲行为:弹性和塑性;(c)中等束流密度下的粘弹性行为;(d)粘弹性额微观机制 ;(e-f)应变条件下辐照诱导塑性形变及构建的纳米线几何形状;(f)塑性发生过程中Mn5Si3晶格的演变图像。
该工作表明,Mn5Si3@SiO2结构不仅具有优异的理化稳定性及电学特性,同时展现出可调控的力学行为,大大拓展了硅基纳米线材料的应用前景。相关研究以“Tunable Mechanics and Micro-mechanism in Close-knit Silicide-in-SiO2 Core-Sell Nanowires”为题发表在ACS旗下期刊Nano Letters上。孙勇副教授为论文的第一作者,硕士研究生林梓恒为第二作者,王成新教授为通讯作者。中山大学材料科学与工程学院为论文唯一完成单位。该研究工作受到国家自然科学基金、广东省自然科学基金,光电材料与技术国家重点实验室的大力支持。
论文链接
https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.2c03498
(来源:中山大学 版权属原作者 谨致谢意)
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