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西交大单智伟/马恩、MIT李巨:从应力-应变曲线中,发现一篇《自然·材料》!

来源: 高分子科学前沿|

发表时间:2021-06-01

点击:34404

众所周知,具有共价键或离子键的无机材料在压缩时的强度比在拉伸时强得多。也就是说,对于硬脆性的无机材料材料,实验记录的压缩强度 (σC) 通常远高于其拉伸强度 (σT),这种现象也被称为材料的拉伸-压缩 (T-C) 不对称性。


然而, T-C不对称性并不是这些材料的固有非弹性响应,而是由于材料对其存在的缺陷(如内部空隙、孔隙和表面瑕疵)的敏感性不同引起的。当材料受到拉伸作用时,拉伸载荷倾向于将缺陷打开为初始裂纹并加速裂纹扩展,从而在相对较低的应力下过早地发生断裂。相比之下,裂纹倾向于在压缩载荷下闭合,从而使得压缩屈服强度要高得多,并接近材料的固有强度。


这自然引出了一连串关于T-C不对称的基本问题,如在消除缺陷影响时 T-C 不对称是否仍然存在?如果确实存在,σC 会比 σT 高还是低呢?如果高的话,高多少?为什么?


为了回答上面提出的问题,西安交通大学单智伟教授、马恩教授和美国麻省理工(MIT)李巨教授等人通过使用TEM内的纳米机械测试系统,对各向同性的亚微米级非晶硅(a-Si)样品进行了定量的压缩与拉伸测试。令人惊讶的是,研究团队在a-Si样品中观察到了一种违背常识的,反向异常的T-C不对称性,即拉伸强度大大超过了压缩强度!


研究结果表明,屈服强度和异常的T-C不对称源于剪切模量的减少和压缩下剪切活化构型的致密化,从而改变了非晶硅中基本剪切事件的活化能垒的大小。具体来说,即压缩降低了剪切转变的激活势垒以促进屈服,而拉伸则增加了激活势垒能量,使剪切转变的激活更加困难,因此需要更大的分解切应力。原位耦合电学试验结果进一步证实,压缩应变确实将某些局部结构从sp3-键合的半导体基序转变为更多的类似金属的位点,从而导致了原子配位(即金属化)的增加。


这一工作开辟了一种尚未探索的材料内在拉伸-压缩不对称性机制。研究成果以“Tension–compression asymmetry in amorphous silicon”为题,发表在Nature子刊《Nat. Mater.》上,西安交通大学王悦存、Ding Jun、Fan Zhao和哥廷根大学田琳博士为文章的共同第一作者,西安交通大学单智伟教授、马恩教授和美国麻省理工(MIT)李巨教授为文章的通讯作者!



文章要点解读


01、亚微米级 a-Si 中的 T-C 不对称性


研究团队使用聚焦离子束(FIB)技术从沉积的 a-Si 膜微加工制成亚微米级 a-Si 样品(图1a),并对其进行定量的拉伸和压缩测试。


实验结果表明,a-Si样品的压缩屈服强度为〜4.5 GPa,而拉伸屈服强度则高达~6.5 GPa(图1d)。也就是说,σT 远高于σC,这与常识完全相悖!而且,值得注意的是,a-Si 在拉伸或压缩变形后仍保持完全非晶态。


图 1:亚微米级 a-Si 中的 T-C 不对称性。


为进一步了解a-Si的T-C不对称性,研究人员对其进行了表观弹性范围内的动态测试。纳米动态力学分析表明,十个循环测试中峰值应力均远低于屈服强度。同时,在动态拉伸试验中,a-Si 在 0.5 Hz 到 20 Hz 的加载频率范围内表现出线性弹性行为(图 2a)。相比之下,压缩的 a-Si 表现出机械滞后回线,且随着加载频率的增加而逐渐扩大。


此外,比较名义弹性状态下的拉伸与压缩显示, a-Si在拉伸下储存更多的弹性应变能并更具弹性,而在压缩时经历更多的非弹性松弛和能量耗散。这种以弹性为主的状态下的 T-C 不对称性,即非弹性,在压缩下显着增强,但在拉伸下却受到抑制,并且与屈服强度的不对称性密切相关。


图 2:在名义上的“弹性”状态下亚微米级 a-Si 的 T-C 不对称性。


02、非晶硅中T-C不对称的原子模拟与实验结果一致


为了证实实验观察到的TC不对称性并阐明其潜在机理,研究人员使用三种不同的a-Si经验势进行了分子动力学(MD)模拟,包括Stillinger-Weber势和与环境有关的原子间势,以及最新开发的机器学习(ML)原子间势。


研究人员首先模拟了 a-Si 的单轴压缩和拉伸,其中施加的单轴载荷可以分解为最大剪切平面(与载荷轴倾斜约 45°)上的剪切应力 τ 和法向应力 σn(图 3a)。结果表明,压缩屈服在~9% 的应变下需要~5.5 GPa 的应力,而在应变为 13% 时,拉伸屈服强度为 7.2 GPa(图 3b)。这种异常的T-C不对称性(σC < σT)与实验结果一致。


图3:非晶硅中T-C不对称的MD模拟。


03、采用原位耦合电学试验通过电阻变化探测a-Si样品的 T-C 不对称


为了使用模拟验证对 配位数(CN) 变化的预测,研究人员进一步在 TEM 内进行了原位耦合机电测试,以测量 a-Si 在拉伸和压缩下的实时电阻。


测试结果表明,在拉伸变形过程中观察到的电阻增加完全来自样品的伸长,并且电阻率保持恒定。相比之下,对于压缩形变下, a-Si 的电阻率一直在下降,与原子模拟的结果一致。


也就是说,压缩法向应力有助于增强剪切转变事件的倾向,将半导体“类固体”原子环境转变为更具金属性(导电性)和密度更大的环境,从而降低电阻率。相比之下,拉伸可抑制剪切变形,从而使样品主要经历弹性变形,而不会产生许多金属环境和更稠密的环境。


图 4:a-Si 在拉伸与压缩下测量的电阻。


04、小结


总之,通过亚微米级样品的定量拉伸和压缩测试,以及详细的 MD 模拟,研究人员在 亚微米级a-Si 中观察到异常且明显的 T-C 不对称性,即拉伸屈服强度远高于压缩屈服强度。


作者表示,这种异常的T-C不对称性同样适用于类似 a-Si 的其他材料,并对小尺寸 a-Si 微电子和微机电系统的应用提供了重要的指导意义。未来可能会激发发明具有新颖弹性的新材料。


本文封面图来源于图虫创意

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