Un nanofil monocristallin montre des signes de jumelage sous charge de traction dans cette image au microscope électronique. Une nouvelle étude menée par le laboratoire de l'Université Rice de Jun Lou a déterminé que de minuscules fils d'or modifient leur comportement à l'échelle nanométrique. (Crédit :Lou Lab/Université Rice)
Les fils d'or minces souvent utilisés dans les applications électroniques haut de gamme sont merveilleusement flexibles et conducteurs. Mais ces qualités ne s'appliquent pas nécessairement aux mêmes fils à l'échelle nanométrique.
Une nouvelle étude de l'Université Rice révèle que les fils d'or de moins de 20 nanomètres de large peuvent devenir « cassants » sous l'effet du stress. Il apparaît dans le journal Matériaux fonctionnels avancés.
L'article du scientifique des matériaux de Rice Jun Lou et de son laboratoire montre en détail ce qui arrive aux nanofils sous les types de contraintes qu'ils subiraient raisonnablement, par exemple, électronique flexible.
Leur technique permet à l'industrie de voir à quel point les nanofils en or, argent, tellure, le palladium et le platine sont susceptibles de résister dans les dispositifs nanoélectroniques de prochaine génération.
Lou et son équipe avaient déjà établi que les fils métalliques ont des propriétés uniques à l'échelle nanométrique. Ils savaient que ces fils subissent une déformation plastique importante puis se fracturent à l'échelle micro et nanométrique. Dans ce processus, les matériaux soumis à des contraintes présentent un « rétrécissement »; C'est, ils se déforment dans une région spécifique puis s'étirent jusqu'à un point avant de finir par se rompre.
"L'or est extrêmement ductile, " dit Lou, professeur adjoint de génie mécanique et de science des matériaux. "Cela signifie que vous pouvez l'étirer, et il peut supporter un très grand déplacement.
"Mais dans ce travail, nous avons découvert que l'or n'est pas nécessairement très ductile à l'échelle nanométrique. Lorsque nous le soulignons d'une manière légèrement différente, nous pouvons former un défaut appelé un jumeau."
Cette série d'images au microscope électronique montre un nanofil d'or avec plusieurs frontières jumelles, qui apparaissent sous forme de lignes sombres. Le fil se fracture à l'emplacement d'une rainure qui apparaît au niveau du jumeau inférieur. (Crédit :Lou Lab/Université Rice)
Le terme "jumelage" vient de la structure atomique en miroir du défaut, qui est propre aux cristaux. « A la frontière, les atomes des côtés gauche et droit se reflètent exactement, ", a déclaré Lou. Les jumeaux dans les nanofils apparaissent sous la forme de lignes sombres à travers le fil au microscope électronique.
"Le matériau n'est pas exactement cassant, comme le verre ou la céramique, quelle fracture sans, ou très peu, ductilité, " dit-il. " Dans ce cas, nous l'appelons cassant, ce qui signifie qu'il a une ductilité considérablement réduite. Il y en a encore, mais le comportement de la fracture est différent du rétrécissement régulier."
Leurs expériences sur 22 fils d'or de moins de 20 nanomètres impliquaient l'opération délicate de les serrer sur un porte-échantillon de microscope électronique à transmission/microscope à force atomique, puis de les tirer à des vitesses de chargement constantes. Des jumeaux sont apparus sous la composante de cisaillement de la contrainte, qui a forcé les atomes à se déplacer à l'emplacement des défauts de surface et a conduit à une sorte de faille tectonique à l'échelle nanométrique à travers le fil.
"Une fois que vous avez ce genre de sites d'initiation de dommages formés dans le nanofil, vous aurez beaucoup moins de ductilité. Le métal se fracturera prématurément, ", a déclaré Lou. "Nous ne nous attendions pas à ce que de telles formations à double frontière aient des effets aussi profonds."
Avec la technologie actuelle, il est presque impossible d'aligner les points de préhension de chaque côté du fil, la force de cisaillement sur les nanofils était donc inévitable. "Mais ce genre de mode de chargement sera inévitablement rencontré dans le monde réel, ", a-t-il déclaré. "Nous ne pouvons pas imaginer que tous les nanofils d'une application seront soumis à une contrainte de manière parfaitement uniaxiale."
Lou a déclaré que les résultats sont importants pour les fabricants qui envisagent d'utiliser l'or comme élément nanomécanique. "De façon réaliste, vous pourriez avoir un certain angle de contrainte hors axe, et si ces jumeaux se forment, vous auriez moins de ductilité que prévu. Ensuite, les critères de conception devraient changer.
« C'est essentiellement le message central de cet article :ne vous laissez pas berner par la définition traditionnelle de" ductile, ' », a-t-il déclaré. « À l'échelle nanométrique, les choses peuvent se passer différemment."
