Mécanisme de nanomoulage thermomécanique (TMNM). (A) TMNM utilise la température et la pression mécanique pour mouler la matière première dans des matrices de nanomoules. (B) Les mécanismes de transport de matériaux discutés sur cette échelle de longueur entraînent une mise à l'échelle de longueur différente, L par rapport à d. La diffusion en masse (Eq. 1) donne L(d) ∝ const, la diffusion d'interface donne L(d)∝1d√ (Eq. 2) et, pour un mécanisme de glissement de dislocation, L(d) ∝dx (x ∈ [ 1,2]) (Éq. 3). (C) Les expériences de mise à l'échelle de L(d) révèlent le mécanisme dépendant de la température pour le TMNM d'Ag. La diffusion d'interface domine TMNM à haute température, T> 0,4 Tm, tandis que le glissement de dislocation prend le relais à basse température, T <0,4 Tm. (D) Pour comparer TMNM sur différents systèmes, nous normalisons la longueur de formation L à L'=L/8pΩtkBT−−−−√. Les valeurs absolues de L déterminées expérimentalement à partir de Au, Ag et Cu suggèrent un mécanisme de diffusion d'interface. Les lignes superposées représentent l'amplitude de la longueur de moulage normalisée pour la diffusion d'interface, (L′)2 =δDI/d et la diffusion en masse, (L′)2~DL/4 (section S3). (E et F) Images de nanofils Ag correspondant aux données en (C). Crédit :Science Advances, Doi :10.1126/sciadv.abi4567
Les progrès de la nanotechnologie nécessitent le développement de méthodes de nanofabrication pour une variété de matériaux, d'éléments et de paramètres disponibles. Les méthodes existantes ne possèdent pas de caractéristiques spécifiques et les méthodes générales de nanofabrication polyvalente restent insaisissables. Dans un nouveau rapport maintenant publié dans Science Advances , Naijia Liu, Guannan Liu et une équipe de scientifiques en génie mécanique et en science des matériaux de l'Université de Yale et de l'Université du Connecticut aux États-Unis ont décrit les mécanismes sous-jacents du nanomoulage thermomécanique pour révéler une approche de nanofabrication très polyvalente. Sur la base des résultats, ils pourraient réguler, combiner et prédire la capacité de développer des matériaux généraux avec des combinaisons de matériaux et des échelles de longueur. Les origines mécanistes du nanomoulage thermomécanique et leur transition dépendante de la température ont fourni un processus pour combiner de nombreux matériaux dans des nanostructures et fournir n'importe quel matériau sous des formes moulables à l'échelle nanométrique.
Nanomoulage thermomécanique (TMNM)
Les chercheurs doivent faire progresser les méthodes de nanofabrication pour développer des nanodispositifs en réponse aux demandes toujours croissantes d'applications à l'échelle nanométrique. Il est donc idéal pour faciliter une méthode de fabrication capable de développer une gamme de matériaux aux caractéristiques diverses, notamment des formes, des longueurs et une nano-architecture élémentaire régulée. Les demandes peuvent s'étendre à divers domaines allant de l'optique, de l'électronique, des sciences de la vie et de la récupération d'énergie aux matériaux quantiques. Alors que les chercheurs ont déjà développé de nombreuses méthodes pour réaliser de telles applications, la plupart des méthodes de nanofabrication sont relativement limitées. Afin de produire une méthode de nanofabrication polyvalente qui fournit un processus pour réguler la taille, la forme, la chimie et la distribution élémentaire dans le nanofil, les chercheurs doivent obtenir des informations plus approfondies sur les mécanismes sous-jacents de la fabrication, la régulation de la longueur, la composition des éléments et leur transport. Le nanomoulage thermomécanique (TMNM) est une avancée récente réalisée dans les métaux, qui peut être explorée pour la nanofabrication. Dans ce travail, Liu et al. identifié les mécanismes sous-jacents dépendant de la taille et de la température du TMNM pour offrir une variété de matériaux et de combinaisons de matériaux, ainsi que des distributions élémentaires sur une gamme de matériaux.
Matériaux et échelles de longueur réalisables via TMNM. (A) La longueur de moulage estimée en fonction de la dimension de moulage à la température de moulage intermédiaire montre la transition du mécanisme de moulage dominant dans TMNM de la diffusion d'interface contrôlée au glissement de dislocation. TMNM peut fabriquer une large gamme d'échelles de longueur allant de 5 nm (Ag, L ~ 8 μm) contrôlées par diffusion à des millimètres (Au, ~ 1 mm) par dislocation. (B) Structures hiérarchiques d'échantillon Au composées d'un micro-motif hexagonal (1 mm, par glissement de dislocation) combiné à des réseaux de nanofils (250 nm, par diffusion d'interface). (C) Rapport d'aspect de moulage calculé (L/d) selon l'équation. 2 pour la diffusion d'interface en fonction de la température pour les matériaux représentatifs des métaux (bleu), des non-métaux (orange), des oxydes/céramiques (rouge) et des phases ordonnées (vert) comprenant divers matériaux fonctionnels. Crédit :Science Advances, Doi :10.1126/sciadv.abi4567
Pour développer des nanostructures, Liu et al. conduit le matériau de base (brut) sous une pression appliquée et une température élevée dans un moule dur à nano-motifs. Ils ont estimé la diffusion en masse, la diffusion d'interface et le glissement de dislocation pour réguler ce processus en tant que mécanismes sous-jacents. Pour identifier les mécanismes fondamentaux de TMNM, les scientifiques ont analysé la longueur de moulage par rapport aux conditions de moulage. La mise à l'échelle pour la diffusion en vrac et d'interface est basée sur la loi de Fick. Ils ont utilisé des expériences de mise à l'échelle pour déterminer les mécanismes du TMNM pour un ensemble donné de paramètres de traitement afin de révéler le TMNM dominé par la diffusion à des températures homologues élevées. Comparativement, à basses températures homologues, le mécanisme de glissement de dislocation dominait le TMNM. Les résultats expérimentaux ont montré que le mécanisme de diffusion ou de dislocation pouvait être mieux décrit via une superposition des deux mécanismes. Les transitions dans les mécanismes contrôlant TMNM ne se sont pas seulement produites avec la température seule, mais aussi avec la taille du moulage. En utilisant la méthode, l'équipe a développé des nanofils ultrafins jusqu'à 5 nm de diamètre par diffusion. Cependant, il était difficile de développer des moules de plus petit diamètre. Pour former des fils de plus petit diamètre, ils ont utilisé une dislocation TMNM dominée par le glissement. De cette manière, les chercheurs pourraient utiliser un processus de moulage en une étape pour développer à la fois des micro- et des nano-caractéristiques basées sur des mécanismes dominés par le glissement des dislocations et un mécanisme de diffusion d'interface, respectivement. La méthode permet également une polyvalence sur une gamme de matériaux, y compris les métaux purs, les éléments non métalliques, les oxydes et les céramiques.
TMNM utilisant une matière première multicouche. (A et B) Des nanofils à hétérostructure sont fabriqués lors de l'utilisation de couches comme matière première. Ici, nous utilisons des couches Ag/Cu comme exemple. Les hétérostructures fabriquées sont avec des régions distinctes d'Ag et de Cu essentiellement purs. Lors de l'utilisation d'une structure en couches Ag/Cu avec une couche Ag face au moule et Cu loin du moule, l'ordre dans les nanofils à hétérostructure est identique à l'ordre dans la matière première (A). Lors de l'utilisation d'une structure en couches Cu/Ag avec une couche de Cu face au moule et Ag éloigné du moule, cependant, l'ordre dans les nanofils à hétérostructure (Ag─Cu) s'est inversé par rapport à celui de la matière première Cu/Ag (B). ( C ) Mécanismes de moulage dépendant de la température pour Ag et Cu où la température de transition ( Ttr ) est indiquée, ce qui indique la transition d'un mécanisme de moulage dominé par le glissement de dislocation à un mécanisme de moulage dominé par la diffusion d'interface. Dans le cas de (A) et (B), la diffusivité d'interface plus élevée dans Ag entraîne une Ttr plus faible que Cu. Une température de moulage de Ttr, Ag
Développement d'hétérostructures
Les conditions expérimentales ont également permis à l'équipe de réguler les distributions élémentaires et de former une gamme de nanofils à hétérostructure, avec un intérêt particulier pour de nombreuses applications, notamment des nanodispositifs dont les principes de fonctionnement reposent sur des interfaces fonctionnelles, des photodétecteurs, des transistors à effet de champ et des diodes électroluminescentes. Pour montrer le développement de nanofils à hétérostructure à l'aide de TMNM, l'équipe a incorporé des couches de cuivre (Cu) et d'argent (Ag) et a considéré différents ordres de ces couches dans la matière première. Ils ont montré comment le TMNM dominé par la diffusion formait des nanofils de structures monocristallines, tandis que les nanofils formés par glissement de dislocation étaient polycristallins ou conservaient une structure de grain de «bambou». Liu et al. étudié plus en détail les hétérostructures Cu-Ag et l'interface Ag/Cu en utilisant la microscopie électronique à transmission. Les résultats ont montré une interface nette et propre entre l'argent et le cuivre.
TMNM comme boîte à outils pour contrôler les distributions élémentaires. La gamme de distributions élémentaires qui peut être obtenue grâce au TMNM en utilisant des alliages ou une structure en couches comme matière première. En utilisant des matières premières avec différentes combinaisons de matériaux et en tenant compte de leurs diffusivités relatives et en contrôlant les mécanismes de moulage (moulage au-dessus ou en dessous de Ttr) de chaque composant, nous pouvons contrôler la chimie et la structure des nanofils. Dans les 11 cas recensés, on utilise des alliages homogènes et des charges d'éléments stratifiés. Leurs diffusivités relatives et Ttr pour les éléments impliqués par rapport à la température de moulage définissent la distribution élémentaire au sein du nanofil. Il peut s'agir d'un alliage homogène (i à iii), d'un seul élément (iv à vii) ou de nanofils à hétérostructure (viii à xi). La rangée du bas montre des exemples de systèmes pour les cas spécifiques. Crédit :Science Advances, Doi :10.1126/sciadv.abi4567
Perspectives
De cette manière, Naijia Liu et ses collègues ont montré la possibilité de réguler la distribution élémentaire sur le nanofil en concevant le traitement et les propriétés du matériau à l'aide du procédé TMNM (nanomoulage thermomécanique) pour obtenir des nanostructures polyvalentes. Un aspect de l'expérience comprenait la matière première, qui pouvait être alliée ou transformée en structures en couches. L'équipe a considéré la diffusivité relative des éléments pour définir leur présence dans la matière première. En utilisant la technique, Liu et al. pourrait développer un nanofil d'alliage homogène. Ils ont mis en évidence comment les mécanismes sous-jacents de TMNM étaient basés sur des transitions dépendant de la température et de la taille. Par exemple, avec de fortes variations de température et de petite taille, la méthode dépendait de la diffusion à l'interface du matériau et du moule. À plus grande taille et à basse température, le mécanisme de glissement de luxation a dominé le résultat. La technique décrite de nanomoulage thermomécanique est un changement de paradigme puissant pour mettre en œuvre des nano-applications avec les caractéristiques souhaitées à l'échelle nanométrique.
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