眾所周知,具有共價鍵或離子鍵的無機資料在壓縮時的强度比在拉伸時强得多。也就是說,對於硬脆性的無機資料資料,實驗記錄的壓縮强度(σC)通常遠高於其拉伸强度(σT),這種現象也被稱為資料的拉伸-壓縮(T-C)不對稱性。
然而,T-C不對稱性並不是這些資料的固有非彈性響應,而是由於資料對其存在的缺陷(如內部空隙、孔隙和表面瑕疵)的敏感性不同引起的。當資料受到拉伸作用時,拉伸載荷傾向於將缺陷打開為初始裂紋並加速裂紋擴展,從而在相對較低的應力下過早地發生斷裂。相比之下,裂紋傾向於在壓縮載荷下閉合,從而使得壓縮屈服强度要高得多,並接近資料的固有强度。
這自然引出了一連串關於T-C不對稱的基本問題,如在消除缺陷影響時T-C不對稱是否仍然存在?如果確實存在,σC會比σT高還是低呢?如果高的話,高多少?為什麼?
為了回答上面提出的問題,西安交通大學單智偉教授、馬恩教授和美國麻省理工(MIT)李巨教授等人通過使用TEM內的納米機械測試系統,對各向同性的亞微米級非晶矽(a-Si)樣品進行了定量的壓縮與拉伸測試。令人驚訝的是,研究團隊在a-Si樣品中觀察到了一種違背常識的,反向异常的T-C不對稱性,即拉伸强度大大超過了壓縮强度!
研究結果表明,屈服强度和异常的T-C不對稱源於剪切模量的减少和壓縮下剪切活化構型的緻密化,從而改變了非晶矽中基本剪切事件的活化能壘的大小。具體來說,即壓縮降低了剪切轉變的啟動勢壘以促進屈服,而拉伸則新增了啟動勢壘能量,使剪切轉變的啟動更加困難,囙此需要更大的分解切應力。原位耦合電學試驗結果進一步證實,壓縮應變確實將某些局部結構從sp3-鍵合的電晶體基序轉變為更多的類似金屬的位點,從而導致了原子配比特(即金屬化)的新增。
這一工作開闢了一種尚未探索的資料內在拉伸-壓縮不對稱性機制。研究成果以“Tension–compression asymmetry in amorphous silicon”為題,發表在Nature子刊《Nat. Mater.》上,西安交通大學王悅存、Ding Jun、Fan Zhao和格丁根大學田琳博士為文章的共同第一作者,西安交通大學單智偉教授、馬恩教授和美國麻省理工(MIT)李巨教授為文章的通訊作者!
文章要點解讀
01亞微米級a-Si中的T-C不對稱性
研究團隊使用聚焦離子束(FIB)科技從沉積的a-Si膜微加工製成亞微米級a-Si樣品(圖1a),並對其進行定量的拉伸和壓縮測試。實时拉伸和壓縮變形過程見下方視頻。
在視頻中可以清楚地看到,在壓縮過程中,樣品在屈服後表現出連續的形狀變化和均勻的塑性流動。
實驗結果表明,a-Si樣品的壓縮屈服强度為〜4.5 GPa,而拉伸屈服强度則高達~6.5 GPa(圖1d)。也就是說,σT遠高於σC,這與常識完全相悖!而且,值得注意的是,a-Si在拉伸或壓縮變形後仍保持完全非晶態。
圖1:亞微米級a-Si中的T-C不對稱性。
為進一步瞭解a-Si的T-C不對稱性,研究人員對其進行了錶觀彈性範圍內的動態測試。納米動態力學分析表明,十個迴圈測試中峰值應力均遠低於屈服强度。同時,在動態拉伸試驗中,a-Si在0.5 Hz到20 Hz的加載頻率範圍內表現出線性彈性行為(圖2a)。相比之下,壓縮的a-Si表現出機械滯後回線,且隨著加載頻率的新增而逐漸擴大。
此外,比較名義彈性狀態下的拉伸與壓縮顯示,a-Si在拉伸下儲存更多的彈性應變能並更具彈性,而在壓縮時經歷更多的非彈性鬆弛和能量耗散。這種以彈性為主的狀態下的T-C不對稱性,即非彈性,在壓縮下顯著增强,但在拉伸下卻受到抑制,並且與屈服强度的不對稱性密切相關。
圖2:在名義上的“彈性”狀態下亞微米級a-Si的T-C不對稱性。
02非晶矽中T-C不對稱的原子類比與實驗結果一致
為了證實實驗觀察到的TC不對稱性並闡明其潜在機理,研究人員使用三種不同的a-Si經驗勢進行了分子動力學(MD)類比,包括Stillinger-Weber勢和與環境有關的原子間勢,以及最新開發的機器學習(ML)原子間勢。
研究人員首先類比了a-Si的單軸壓縮和拉伸,其中施加的單軸載荷可以分解為最大剪切平面(與載荷軸傾斜約45°)上的剪切應力τ和法向應力σn(圖3a)。結果表明,壓縮屈服在~9%的應變下需要~5.5 GPa的應力,而在應變為13%時,拉伸屈服强度為7.2 GPa(圖3b)。這種异常的T-C不對稱性(σC<σT)與實驗結果一致。
圖3:非晶矽中T-C不對稱的MD類比。
03採用原位耦合電學試驗通過電阻變化探測a-Si樣品的T-C不對稱
為了使用類比驗證對配位數(CN)變化的預測,研究人員進一步在TEM內進行了原位耦合機電測試,以量測a-Si在拉伸和壓縮下的實时電阻。
測試結果表明,在拉伸變形過程中觀察到的電阻新增完全來自樣品的伸長,並且電阻率保持恒定。相比之下,對於壓縮形變下,a-Si的電阻率一直在下降,與原子類比的結果一致。
也就是說,壓縮法向應力有助於增强剪切轉變事件的傾向,將電晶體“類固體”原子環境轉變為更具金屬性(導電性)和密度更大的環境,從而降低電阻率。相比之下,拉伸可抑制剪切變形,從而使樣品主要經歷彈性變形,而不會產生許多金屬環境和更稠密的環境。
圖4:a-Si在拉伸與壓縮下量測的電阻。
04小結
總之,通過亞微米級樣品的定量拉伸和壓縮測試,以及詳細的MD類比,研究人員在亞微米級a-Si中觀察到异常且明顯的T-C不對稱性,即拉伸屈服强度遠高於壓縮屈服强度。
作者表示,這種异常的T-C不對稱性同樣適用於類似a-Si的其他資料,並對小尺寸a-Si微電子和微機電系統的應用提供了重要的指導意義。未來可能會激發發明具有新穎彈性的新材料。
作者簡介
單智偉,教育部“長江學者”特聘教授,國家傑出青年基金得主,百千萬人才工程入選者,亞太材料科學院院士,現任西安交通大學材料科學與工程學院院長。1996年畢業於吉林大學資料與科學工程專業;1999年在中國科學院金屬研究所獲碩士學位;2001年赴美就讀於美國匹茲堡大學機械工程系並於2005年獲博士學位。2005 -2006年在位於美國勞倫茲國家實驗室的美國國家電鏡中心從事博士後研究工作。2006年加盟世界著名的納米力學設備製造公司-Hysitron,並先後受聘為資深研究員、真空部門經理和Hysitron公司應用研究中心主任。2008年開始與西安交通大學開展合作,2010年正式全職回國加入西安交通大學,先後籌建創立“微納尺度資料行為研究中心”,“Hysitron中國應用研究中心”及“西安交大-日立研究中心”等三個國際化研究中心和一個省級中心,即“陝西省鎂基新材料工程中心”。學術任職包括國務院學位委員會第七届學科評議組(材料科學與工程組)成員,教育部高等學校材料類專業教學指導委員會委員,《中國材料進展》雜誌副主編,2018美國資料學會期刊(MRS Bulletin)和《材料科學技術(英文版)》第五届編委會委員,中國電鏡學會常務理事及聚焦離子束專業委員會主任,第四届國家新材料產業發展戰略諮詢委員會戰畧委員。
在Nature、Science、Proceedings of the National Academy of Sciences、Nature Materials、Nature Communications、Physical review letters、Nano letters、Acta materialia等國際頂級期刊上發表論文180餘篇。研究團隊在2010年主要完成“微納尺度資料形變特性及其尺寸”入選教育部科學技術委員會評定的“2010年中國高等學校十大科技進展”。該工作發表在Nature雜誌上,文章被評為“2010年中國百篇最具影響國際學術論文”;2012年發表在Nature Communications上的有關“金屬玻璃的彈性極限與尺寸强化效應”的文章被評為“2012年中國百篇最具影響國際學術論文”。
參考文獻:
Wang,Y.,Ding,J.,Fan,Z. et al. Tension–compression asymmetry in amorphoussilicon.Nat.Mater.(2021).https://doi.org/10.1038/s41563-021-01017-z
原文刊載於【高分子科學前沿】公眾號
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