孫 倩 楊熊博 高亞軍 趙健偉

(南京大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院,生命分析國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南京210008)

1 引言

金屬納米線的研究在基礎(chǔ)物理學(xué)、微納器件1和材料學(xué)等方面占有重要地位,是材料物理化學(xué)的重要分支.金屬納米線特殊的機(jī)械性質(zhì)、2,3光電性質(zhì)、4熱力學(xué)性質(zhì)5,6和磁性7等使其具有廣泛的應(yīng)用價值.構(gòu)建高強(qiáng)度納米線是研究的熱點(diǎn),孿晶界對金屬納米材料的物理化學(xué)性質(zhì)影響顯著,因此研究孿晶對納米線形變的影響至關(guān)重要.

在實(shí)驗(yàn)研究方面,目前研究較多的是觀察孿晶對[111]晶向的銅、銀和金納米線強(qiáng)度的影響.8-10Lu等11-14用脈沖電沉積技術(shù)制備出銅孿晶結(jié)構(gòu)樣品,并說明孿晶結(jié)構(gòu)能進(jìn)一步提升納米材料的機(jī)械性能,隨著孿晶層間距的減小,納米孿晶銅的強(qiáng)度逐漸提高,最終拉伸強(qiáng)度可達(dá)1.07 GPa.Zhong等15用電沉積的方法制備的[111]孿晶納米線,比相同尺寸的多晶銅納米線的強(qiáng)度明顯提高,從微電子器件方面展現(xiàn)了廣泛的應(yīng)用前景.Marszalek等16通過掃描探針顯微鏡(SPM)直接觀測了2 nm亞單元內(nèi)的金納米線在[111]晶面上堆垛層的產(chǎn)生,這種堆垛層在分子動力學(xué)計(jì)算的塑性形變中都能觀測到.Wu等17在實(shí)驗(yàn)上利用原子力顯微鏡(AFM)研究了含孿晶界的銀納米線彎曲形變,研究表明孿晶界阻礙了滑移的發(fā)展.Greer等18發(fā)現(xiàn)納米尺度下單晶金納米柱的強(qiáng)度是塊狀金的50倍左右,這主要就是因?yàn)槲诲e源的匱乏引起的強(qiáng)度增加,這種現(xiàn)象的控制機(jī)制稱為位錯匱乏理論.

在理論模擬方面,用分子動力學(xué)方法研究在拉伸載荷下晶界對納米線形變的影響被廣泛報導(dǎo).近年來,研究不同納米材料的拉伸形變機(jī)理受到重視.19-22相關(guān)研究表明,孿晶Al納米線的拉伸形變機(jī)理23是由孿晶界向相鄰孿晶擴(kuò)散.Yamakov等24模擬了鋁納米孿晶中位錯間以及位錯與孿晶界之間的相互作用,發(fā)現(xiàn)位錯間以及位錯與孿晶界之間會形成復(fù)雜的“位錯網(wǎng)”,使位錯大量堆積,從而強(qiáng)化納米線.Jin等25研究了面心立方晶體中螺形位錯與孿晶界的多種相互作用,在不同材料和應(yīng)變量下,發(fā)現(xiàn)螺旋位錯會經(jīng)過相鄰的孿晶界繼續(xù)發(fā)展,或者被位錯阻擋.Cao和Wei26,27用分子動力學(xué)模擬了納米孿晶銅在受單向均勻拉伸載荷下的變形機(jī)制和含五個孿晶界納米線的機(jī)械性質(zhì),發(fā)現(xiàn)孿晶對位錯滑移具有阻擋作用,使得孿晶納米線得到強(qiáng)化.Afanasyev和Sansoz28通過分子動力學(xué)方法研究了在壓縮載荷下金納米線中晶界對形變的影響,結(jié)果表明單晶納米線的位錯直接滑移到表面,而引入晶界之后,晶界通過形成滑移面與其它位錯滑移相交,阻礙了位錯直接滑移到納米線的表面,實(shí)現(xiàn)了納米線的強(qiáng)化.Zhang和Huang29通過分子動力學(xué)拉伸形變研究說明晶界并不總使得納米線得到強(qiáng)化,根據(jù)得到的計(jì)算結(jié)果他們認(rèn)為納米線的自由表面決定著晶界對納米線起到強(qiáng)化還是軟化作用.Zhang等30通過分子動力學(xué)對含孿晶的銅納米線的研究結(jié)果表明,在拉伸載荷作用下,孿晶界間距越小,納米線在塑性形變區(qū)域內(nèi)的應(yīng)力越低.袁林等31用分子動力學(xué)方法模擬了不同晶粒尺寸下多晶銀納米線的拉伸變形行為,發(fā)現(xiàn)當(dāng)晶粒尺寸小于13.49 nm時,多晶Ag納米線呈現(xiàn)軟化現(xiàn)象,出現(xiàn)反Hall-Petch關(guān)系.Gao等32通過分子動力學(xué)研究了五重孿晶銀納米線的拉伸和扭轉(zhuǎn)形變行為,研究發(fā)現(xiàn)孿晶界可以強(qiáng)化納米線,而且孿晶厚度越小,強(qiáng)化效應(yīng)越明顯.

迄今,關(guān)于孿晶界對金屬納米線形變的影響仍不清晰.孿晶納米線機(jī)械性質(zhì)變化的主要原因,是由于孿晶的相互作用和孿晶距的不同而導(dǎo)致位錯,還是孿晶界阻擋位錯滑移從而導(dǎo)致位錯塞積,需進(jìn)一步研究.為了解孿晶界對納米線增強(qiáng)增韌的內(nèi)在機(jī)制,很多學(xué)者在實(shí)驗(yàn)和理論方面進(jìn)行了大量研究,但對孿晶界、自由表面、拉伸速度和溫度等因素的綜合影響研究較少.

本文將利用分子動力學(xué)模擬研究孿晶界密度對銀納米線強(qiáng)度及形變機(jī)理的影響,比較晶粒大小不同的納米線與完美單晶納米線的變形行為.并進(jìn)一步考察孿晶界密度和表面對納米線力學(xué)性能和塑性變形機(jī)理的共同影響,同時探討溫度和拉伸速度對納米線屈服應(yīng)力的影響,為構(gòu)建高強(qiáng)度納米線打下基礎(chǔ).

2 模擬方法

本文研究[111]晶向的孿晶銀納米線和完美單晶銀納米線的力學(xué)行為.其初始構(gòu)型中原子按照理想的面心立方結(jié)構(gòu)排布,截面是正方形.按照孿晶界密度的不同共建立八個銀納米線模型,納米線的尺寸為6 nm×6 nm×23 nm,包含的孿晶界個數(shù)分別為1、2、3、5、15、23和47,孿晶界間距分別為11.334、7.556、5.667、3.778、1.417、0.945和0.472 nm.以含有五個孿晶界的銀納米線為例,圖1給出其初始構(gòu)型.該模型約含65000個原子,兩端各有三層原子的固定層.圖1(a)中綠色的原子表示面心立方原子和表面原子,紅色的原子平面是孿晶界原子.圖1(b)僅給出了棱角原子,即圖中綠色原子和孿晶界原子.為了更好地模擬真實(shí)體系,計(jì)算中在x、y和z方向采用了自由邊界條件.采用Nose-Hoover方法33,34進(jìn)行等溫調(diào)節(jié),保持體系的溫度為10 K.數(shù)值積分方案采用傳統(tǒng)的蛙跳法.原子之間的相互作用采用多體勢中的鑲嵌原子勢(EAM)35來描述.

首先使體系在10 K溫度下自由弛豫20000步,當(dāng)體系達(dá)到平衡狀態(tài)以后,沿納米線的長軸(z軸)以1.056×108s-1的應(yīng)變速率勻速雙向拉伸.拉伸過程中固定層僅沿z方向移動,其余原子可以自由運(yùn)動.選擇弛豫20000步以后再拉伸至斷裂.

全部運(yùn)算基于自主開發(fā)的大規(guī)模分子動力學(xué)仿真程序NanoMD,36該軟件的可靠性不僅通過大量的規(guī)模研究,如改變體系的大小、37拉伸速率38,39等得以證實(shí),同時模擬結(jié)果也與實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果40,41相一致.

3 結(jié)果分析

3.1 模型的晶體學(xué)特點(diǎn)

為了考查晶體結(jié)構(gòu)對納米線拉伸形變的影響,對本文中所有模型的晶體學(xué)特點(diǎn)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì),如表1所示.單晶納米線長22.67 nm,約是截面邊長的4倍,含有兩個孿晶的納米線每個晶粒的長度也有11.33 nm,遠(yuǎn)大于截面邊長.只有當(dāng)含有三個孿晶時,晶粒的長寬之比才接近1.含有四個以上孿晶時,晶粒在z方向上的尺寸顯著小于x和y方向上的尺寸.這一結(jié)構(gòu)特點(diǎn)將對位錯的產(chǎn)生和滑移的發(fā)展產(chǎn)生影響.

本文中的單晶銀納米線是面心立方晶體結(jié)構(gòu)以[111]晶向按…ABCABC…順序堆垛而成.孿晶銀納米線在孿晶界上下呈鏡面對稱的孿晶關(guān)系,按…ABCA[B]ACBA…順序堆垛而成,以[B]層為孿晶界,如圖2所示.孿晶界原子與總原子數(shù)之比從1%至接近50%,但晶界原子僅僅改變了ABC周期排列的順序,每個原子的平均能量并無顯著差異.因此,結(jié)構(gòu)差異是滑移的產(chǎn)生和發(fā)展的主要影響因素,但其對彈性形變,即位錯產(chǎn)生前的納米線強(qiáng)度無影響.

3.2 形變過程的宏觀性質(zhì)分析

由于尺寸的原因金屬納米線表現(xiàn)了與體相材料不一樣的力學(xué)性質(zhì),金屬納米材料的機(jī)械性質(zhì)是一個非常重要的性質(zhì),包括材料的屈服強(qiáng)度、應(yīng)力應(yīng)變以及楊氏模量等.金屬納米線的力學(xué)性質(zhì)主要通過應(yīng)力應(yīng)變曲線和楊氏模量來分析,圖3所示為不同孿晶界密度下銀納米線拉伸的應(yīng)力應(yīng)變曲線.拉伸的初始階段為彈性變形,隨著應(yīng)變量的增加,拉伸應(yīng)力線性上升至一峰值,即屈服點(diǎn),屈服點(diǎn)所對應(yīng)的應(yīng)力叫做屈服應(yīng)力,應(yīng)變?yōu)榍?yīng)變.之后,納米線進(jìn)入塑性形變區(qū)域,應(yīng)力釋放.應(yīng)力呈波動變化直至納米線斷裂,應(yīng)力趨近于零.拉伸使得原子脫節(jié)到新的位置,之后又結(jié)晶在一起,原子不斷脫節(jié)和重結(jié)晶,造成了應(yīng)力的波動.

導(dǎo)出的參數(shù)在圖4中給出.在彈性形變區(qū)域內(nèi),金屬納米線的晶格結(jié)構(gòu)對納米線的強(qiáng)度起作用,晶界作用不明顯.由圖4(a)可看出,具有一個、兩個和三個孿晶界的納米線的屈服應(yīng)力分別為3.0、3.5和4.0 GPa.作為對比,單晶銀納米線的屈服應(yīng)力為4.2 GPa.而具有五個、十五個、二十三個和四十七個孿晶界的納米線的屈服應(yīng)力則大于單晶銀納米線,其值分別為5.1、6.2、6.7和7.0 GPa.當(dāng)孿晶界間距小于6.0 nm時,隨著間距的減小,納米線的屈服應(yīng)力近似地呈線性增加.圖4中陰影部分的誤差帶表示單晶多次計(jì)算的值為(4.1±0.1)GPa,相對偏差為2.4%.

表1 不同孿晶界密度銀納米線的晶體學(xué)特點(diǎn)Table 1 Crystallographic characteristics of Ag nanowires under different twin boundary densities

圖1 五重孿晶銀納米線的初始構(gòu)型圖Fig.1 Undeformed configurations of Ag nanowire with five twins

在塑性形變區(qū)域內(nèi),納米線在拉伸力下所產(chǎn)生的應(yīng)變越大,延展性越好.由圖4(b)可以看出,隨著孿晶界間距的增大,納米線的屈服應(yīng)變近似線性地減小,孿晶越多納米線的延展性越好.值得注意的是,單晶銀納米線的屈服應(yīng)變?nèi)匀灰笥诤幸粋€孿晶界的納米線.這說明孿晶界可以增強(qiáng)納米線的延展性,從而起到強(qiáng)化納米線的作用.

由圖4(c)可看出,在拉伸載荷作用下,隨著應(yīng)變量的不斷增大,所有納米線的應(yīng)力以相同的斜率線性增加,這表明銀納米線的楊氏模量受孿晶界的影響不顯著,與Liu37和Zhang30等得出的結(jié)論相同.計(jì)算得到本文中[111]晶向的Ag納米線的楊氏模量大小為(94.0±3.6)GPa,相對偏差為3.8%.雖然隨著孿晶界間距的增大楊氏模量變化不明顯,但是整體呈逐漸增加的趨勢,單晶銀納米線的楊氏模量高于孿晶銀納米線,對這種現(xiàn)象比較合理的解釋是,在拉伸力下孿晶界可以使納米線的應(yīng)變量減小,從而強(qiáng)化納米線.

圖2 孿晶機(jī)制示意圖Fig.2 Schematic illustration of twinning mechanism

圖3 不同孿晶界密度下8個模擬銀納米線拉伸的應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.3 Tensile stress-strain curves for the eight simulated Ag nanowires under different twin boundary densities during tensile deformation

另外,在塑性形變區(qū)域內(nèi),隨著孿晶界間距增加,即孿晶界密度的減小,納米線的斷裂應(yīng)變逐漸增大,如圖4(d)所示.孿晶越多,納米線的斷裂應(yīng)變越小,對這種現(xiàn)象比較合理的解釋是,孿晶間距越大,在孿晶內(nèi)部可以產(chǎn)生的位錯滑移越多,相反孿晶間距較小,位錯滑移受阻于孿晶界,孿晶內(nèi)可以產(chǎn)生的位錯滑移較少.這說明孿晶可以提高納米線的強(qiáng)度.當(dāng)晶粒的長徑比大于1的時候,銀納米線的斷裂應(yīng)變小于單晶銀納米線.

由此可以得出,當(dāng)孿晶界在五個以上時,孿晶銀納米線的強(qiáng)度要高于單晶銀納米線;當(dāng)孿晶界個數(shù)小于三個時,單晶銀納米線的強(qiáng)度要高于有孿晶的納米線.以上研究表明,孿晶界對納米線并不一定起到強(qiáng)化作用,孿晶界是否可以強(qiáng)化納米線還取決于晶粒長徑比等因素,當(dāng)晶粒在z方向上的尺寸顯著小于x和y方向上的尺度時,孿晶界對納米線起到強(qiáng)化作用.特別需要指出的是,我們的研究結(jié)果與以往報導(dǎo)的關(guān)于孿晶界強(qiáng)化作用的結(jié)果不同,以往的報導(dǎo)指出孿晶界對納米線起到增強(qiáng)作用,42,43本文分析了孿晶界密度和晶粒長徑比等因素對納米線強(qiáng)度的綜合影響,為構(gòu)建高強(qiáng)度納米線打下基礎(chǔ).

圖4 不同孿晶距對銀納米線力學(xué)性質(zhì)的影響Fig.4 Mechanical properties of Ag nanowires with different twin boundary spaces

我們做了不同孿晶界密度下銀納米線的徑向分布函數(shù),圖5所示為單晶銀納米線與含有一個、五個和十五個孿晶界的銀納米線的徑向分布函數(shù)(RDF),從下往上依次對應(yīng)圖中曲線,并且對應(yīng)于各納米線的屈服點(diǎn)處和斷裂點(diǎn)處.圖5(a)為納米線在屈服點(diǎn)處的RDF圖,將含有一個、五個和十五個孿晶界的納米線相比較,RDF峰形變化不明顯.孿晶納米線和單晶納米線均在0.70個晶格處出現(xiàn)最高峰即第一近鄰峰,說明在10 K的模擬溫度下原子的短程有序性較好.而對于單晶銀納米線,在1個晶格處的第二近鄰峰的峰高相對于孿晶納米線明顯增加50%,說明孿晶納米線在第二近鄰處的有序性明顯降低.第三近鄰峰出現(xiàn)在1.22個晶格處(圖5(a)),單晶的第三近鄰峰劈裂出的一個小峰(1.26晶格),是單晶的特有峰.在1.40個晶格處出現(xiàn)的峰是第一近鄰峰的倍頻峰,其右側(cè)又出現(xiàn)一個單晶的特有峰(1.44晶格).在1.57個晶格處出現(xiàn)第四近鄰峰,單晶的第四近鄰峰劈裂出的一個小峰(1.60晶格).2個晶格以上,峰比較密集,這說明原子排布依然保持了有序的狀態(tài).

圖5(b)為納米線在斷裂點(diǎn)處的RDF圖,孿晶納米線的RDF峰仍保持一定的規(guī)律性,和屈服點(diǎn)處相比變化不大.單晶納米線的RDF峰相比較屈服點(diǎn)處的RDF峰,其在1-2個晶格之間的兩個特有峰左移至1.15和1.35個晶格處,且在1.60個晶格附近的特征峰消失,在1.90個晶格處的特征峰也向左移動.特征峰左移和消失的原因可能是拉伸過程中形成位錯滑移,破壞了原子的有序性.2-3個晶格之間單晶峰高明顯增加,說明單晶的遠(yuǎn)程有序性較好.

3.3 形變過程的微觀結(jié)構(gòu)分析

為了說明孿晶界對納米線形變的主要作用機(jī)理,以及孿晶界密度對納米線強(qiáng)度的影響,我們對含有二個、五個孿晶界的銀納米線和單晶銀納米線的拉伸變形過程進(jìn)行了詳細(xì)研究.在單晶銀納米線中,位錯成核是由納米線中部的表面原子上產(chǎn)生,如圖6(a)中字母A所示.但位錯滑移可以穿過整個納米線,在端面的對面位置交叉混合.經(jīng)過14.75 ps滑移面A由產(chǎn)生到發(fā)展到貫穿整個納米線.

圖5 含一個、五個和十五個孿晶界銀納米線與單晶銀納米線的徑向分布函數(shù)Fig.5 Radial distribution function of Ag nanowires with one-twin,five-twin,and fifth-twin boundaries and single crystalAg nanowire

圖7給出了含有二個孿晶界的銀納米線在拉伸變形中位錯滑移的觀察圖,在拉伸載荷的作用下,首先在納米線中部和上部三分之一處的表面原子邊緣處對稱產(chǎn)生位錯成核,如圖7(a)中字母A、B所示.滑移面與孿晶界呈60°角,位錯滑移延伸并受阻于孿晶界.隨著拉伸形變的增加,圖7(d)中在納米線上部晶粒中出現(xiàn)了新的滑移面C與最初的滑移面B相交,孿晶界阻擋了滑移面C的發(fā)展.隨著拉伸進(jìn)行,納米線上部的晶粒開始收縮,直至斷裂.這說明孿晶界可以阻礙位錯的產(chǎn)生和發(fā)展,這與相關(guān)的實(shí)驗(yàn)44,45和計(jì)算模擬46研究結(jié)果一致.含兩個孿晶界的納米線晶粒長徑比較大,位錯滑移主要在納米線的上部,納米線最終在上部斷裂.晶粒的長寬比較大,導(dǎo)致納米線更容易斷裂.

圖6 單晶銀納米線在10 K的拉伸變形過程Fig.6 Instantaneous deformation processes of single crystalAg nanowires during tensile deformation at 10 K

圖7 含二個孿晶界的銀納米線在10 K下的拉伸變形過程Fig.7 Continuous snapshots of initial yielding deformation of Ag nanowires with two-twin boundaries during tensile deformation at 10 K

圖8 含五個孿晶界的銀納米線在10 K下的拉伸變形過程Fig.8 Continuous snapshots of initial yielding deformation of Ag nanowires with five-twin boundaries during tensile deformation at 10 K

圖8給出了含有五個孿晶界的銀納米線在拉伸變形中位錯滑移的觀察圖,在拉伸載荷作用下,對于[111]晶向的銀納米線,首先在孿晶界與表面原子邊緣的交接處產(chǎn)生位錯成核,47如圖8(a)中字母A所示.隨后產(chǎn)生的滑移面延伸至孿晶界被阻擋,不能繼續(xù)延伸,滑移面與孿晶呈60°角.在拉伸載荷的繼續(xù)作用下,納米線中部的孿晶界作為位錯源在其兩側(cè)產(chǎn)生位錯,滑移面在其兩側(cè)多次反射,如圖8(c)所示.在進(jìn)一步拉伸變形作用下,如圖8(d)所示滑移面由納米線中部的孿晶界向兩端相鄰孿晶界擴(kuò)散.納米線中部開始收縮,應(yīng)力集中在納米線中部,導(dǎo)致中間處的滑移面增多,直至斷裂.

圖9 含五個(a)、十五個(b)和二十三個(c)孿晶界的銀納米線產(chǎn)生滑移的截面圖Fig.9 Cross-sectional views of Ag nanowires with fivetwin(a),fifteen-twin(b),and twenty-three-twin(c)boundaries

為了詳細(xì)說明孿晶界對納米線形變機(jī)理的影響,我們做了含有五個、十五個和二十三個孿晶界的銀納米線產(chǎn)生滑移的詳細(xì)結(jié)構(gòu)圖,如圖9所示,孿晶間距分別為3.778、1.417和0.945 nm,晶粒的長徑比均小于1.由表面原子邊緣產(chǎn)生的位錯成核發(fā)展延伸到孿晶界被阻擋,使孿晶界表面變得粗糙不平,在進(jìn)一步的拉伸作用下,從孿晶表面進(jìn)一步滑移,這就使得孿晶界上發(fā)生位錯滑移現(xiàn)象.孿晶界上形成的滑移面多次反射,晶粒長寬比小于一時均有此現(xiàn)象.滑移面由孿晶界向相鄰孿晶界發(fā)展,48阻礙了位錯的產(chǎn)生和滑移的發(fā)展,使納米線得到強(qiáng)化.

3.4 拉伸形變機(jī)理與外部條件的關(guān)系

圖10 含五個孿晶界樣品的屈服應(yīng)力差在(a)不同溫度和(b)拉伸速度下的變化曲線;(c)含五個孿晶界的銀納米在不同溫度下拉伸至300 ps時的原子結(jié)構(gòu)圖Fig.10 Yielding stress difference curves for the five-twin boundaries with(a)different temperatures and(b)different tensile rates;(c)continuous snapshots of the five-twin boundaries under uniaxial tensile loading of different temperatures at 300 ps

金屬納米線強(qiáng)度的影響因素很多,包括孿晶界、溫度和拉伸速度等.特別需要指出我們的研究說明晶粒的長寬比小于1時孿晶界對納米線起到強(qiáng)化作用,這種情況的出現(xiàn)可能與10 K的低溫有關(guān),關(guān)于溫度對納米線機(jī)械性質(zhì)的影響已經(jīng)被廣泛報導(dǎo).49,50而且,最近的實(shí)驗(yàn)研究表明孿晶對納米線的影響很大程度上受到溫度的影響,51溫度越高,納米線的屈服應(yīng)力越低.

為了更好地說明孿晶結(jié)構(gòu)對納米線強(qiáng)度的影響,我們用分子動力學(xué)的方法,研究了不同溫度和拉伸速度對孿晶銀納米線和單晶銀納米線屈服應(yīng)力的影響,結(jié)果如圖10所示,圖10(a,b)縱坐標(biāo)為含有五個孿晶界的銀納米線與單晶銀納米線的屈服應(yīng)力之差.隨著溫度的增加,含有五個孿晶界的納米線與單晶納米線的屈服應(yīng)力之差先增大然后趨于穩(wěn)定,如圖10(a)所示在10 K時最低,升高到25 K時趨于穩(wěn)定.這說明超低溫時孿晶增強(qiáng)作用不明顯,溫度大于25 K時孿晶的增強(qiáng)作用趨于穩(wěn)定.圖10(c)為在不同溫度下對含五個孿晶銀納米線進(jìn)行拉伸至300 ps時刻的原子結(jié)構(gòu)圖,圖中可以看出在10 K超低溫時,位錯滑移相對于其他溫度較少.可能是因?yàn)槌蜏貢r原子的運(yùn)動幅度較小,拉伸不容易使原子偏離平衡位置,導(dǎo)致孿晶對納米線強(qiáng)度的影響減小.

隨著拉伸速度的增加,孿晶納米線與單晶納米線的屈服應(yīng)力之差呈現(xiàn)先穩(wěn)定再急劇增大的趨勢,如圖10(b)所示.隨著拉伸速度的增大,拉伸沖擊由準(zhǔn)平衡態(tài)拉伸向高拉伸速度的非平衡態(tài)轉(zhuǎn)變.拉力做功增大,導(dǎo)致原子動能分布的漲落加大,在準(zhǔn)平衡態(tài)拉伸時,漲落幅度較小,孿晶對納米線的增強(qiáng)作用對拉伸速度的依賴關(guān)系不明顯.高速拉伸時,漲落幅度增大,能量富集區(qū)域會造成原子運(yùn)動異常劇烈進(jìn)而形成位錯,原子的形變以無定形結(jié)構(gòu)為主,其在晶粒內(nèi)部的發(fā)展受到結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定的孿晶界阻塞,因而表現(xiàn)出較大的孿晶界對納米線的增強(qiáng)作用.

4 結(jié)論

利用分子動力學(xué)的方法模擬了[111]晶向的孿晶銀納米線和單晶銀納米線的力學(xué)行為,從模擬結(jié)果得知,在彈性形變區(qū)域,銀納米線的楊氏模量受孿晶界的影響不明顯.在塑性形變區(qū)域內(nèi),位錯滑移優(yōu)先從納米線表面原子邊緣上產(chǎn)生;孿晶界密度較小的孿晶納米線其晶粒在z方向上的長度明顯大于晶粒寬度,導(dǎo)致納米線屈服應(yīng)力比單晶納米線還要小,并沒有實(shí)現(xiàn)納米線的強(qiáng)化;孿晶界密度較大時晶粒的長寬比小于1,孿晶界阻礙了位錯滑移的產(chǎn)生,從而使得納米線得到強(qiáng)化;在進(jìn)一步的拉伸應(yīng)力下,孿晶界也可以作為位錯滑移的來源.這反映了孿晶界對納米線拉伸形變影響并不只是起到加強(qiáng)作用,只有當(dāng)孿晶界密度較大,晶粒長寬比小于1時,才能觀察到納米線強(qiáng)度的明顯增加,要綜合考慮孿晶界密度和晶粒尺寸對納米線的綜合影響,來更好地發(fā)展高強(qiáng)度的納米線.

(1) Sun,W.;Zhang,J.J.;Zhao,J.W.Acta Phys.-Chim.Sin.2013,29,1931.[孫 瑋,張晉江,趙健偉.物理化學(xué)學(xué)報,2013,29,1931.]doi:10.3866/PKU.WHXB201305311

(2) Branicio,P.S.;Rino,J.P.Phys.Rev.B2000,62,16950.doi:10.1103/PhysRevB.62.16950

(3) Ikeda,H.;Qi,Y.;Cagin,T.;Samwer,K.;Johnson,W.L.;Goddard,W.A.Phys.Rev.Lett.1999,82,2900.doi:10.1103/PhysRevLett.82.2900

(4) Christ,A.;Zentgraf,T.;Kuhl,J.;Tikhodeev,S.;Gippius,N.;Giessen,H.Phys.Rev.B2004,70,125113.doi:10.1103/PhysRevB.70.125113

(5) Gülseren,O.;Ercolessi,F.;Tosatti,E.Phys.Rev.B1995,51,7377.doi:10.1103/PhysRevB.51.7377

(6) Lai,S.;Guo,J.;Petrova,V.;Ramanath,G.;Allen,L.Phys.Rev.Lett.1996,77,99.doi:10.1103/PhysRevLett.77.99

(7)Alexandrov,A.S.;Kabanov,V.V.Phys.Rev.Lett.2005,95,076601.doi:10.1103/PhysRevLett.95.076601

(8) Zhao,J.W.;Wang,F.Y.;Jiang,L.Y.;Yin,X.;Liu,Y.H.Acta Phys.-Chim.Sin.2009,25,1835.[趙健偉,王奮英,蔣璐蕓,尹 星,劉云紅.物理化學(xué)學(xué)報,2009,25,1835.]doi:10.3866/PKU.WHXB20090909

(9)Tian,M.L.;Wang,J.U.;Kurtz,J.;Mallouk,T.E.;Chan,M.H.W.Nano.Lett.2003,3,919.doi:10.1021/nl034217d

(10)Wang,J.;Tian,M.;Mallouk,T.E.;Chan,M.H.J.Phys.Chem.B2004,108,841.doi:10.1021/jp035068q

(11) Lu,K.;Lu,L.;Suresh,S.Science2009,324,349.doi:10.1126/science.1159610

(12) Lu,L.;Sui,M.;Lu,K.Science2000,287,1463.doi:10.1126/science.287.5457.1463

(13) Lu,L.;Shen,Y.F.;Chen,X.H.;Qian,L.H.;Lu,K.Science2004,304,422.doi:10.1126/science.1092905

(14) Lu,L.;Chen,X.;Huang,X.;Lu,K.Science2009,323,607.doi:10.1126/science.1167641

(15)Zhong,S.;Koch,T.;Wang,M.;Scherer,T.;Walheim,S.;Hahn,H.;Schimmel,T.Small2009,5,2265.doi:10.1002/smll.v5:20

(16) Marszalek,P.E.;Greenleaf,W.J.;Li,H.;Oberhauser,A.F.;Fernandez,J.M.Proc.Natl.Acad.Sci.U.S.A.2000,97,6282.doi:10.1073/pnas.97.12.6282

(17) Wu,B.;Heidelberg,A.;Boland,J.J.Nat.Mater.2005,4,525.doi:10.1038/nmat1403

(18)Greer,J.R.;Oliver,W.C.;Nix,W.D.Acta Mater.2005,53,1821.doi:10.1016/j.actamat.2004.12.031

(19) Fr?seth,A.;Van Swygenhoven,H.;Derlet,P.Acta Mater.2004,52,2259.doi:10.1016/j.actamat.2004.01.017

(20) Fr?seth,A.;Derlet,P.;Van Swygenhoven,H.Appl.Phys.Lett.2004,85,5863.doi:10.1063/1.1835531

(21)Yang,Z.Y.;Lu,Z.X.;Zhao,Y.P.J.Appl.Phys.2009,106,023537.doi:10.1063/1.3186619

(22)Yang,Z.Y.;Lu,Z.X.;Zhao,Y.P.Comput.Mater.Sci.2009,46,142.doi:10.1016/j.commatsci.2009.02.015

(23) Fr?seth,A.;Derlet,P.;Van Swygenhoven,H.Scripta.Mater.2006,54,477.

(24)Yamakov,V.;Wolf,D.;Phillpot,S.;Gleiter,H.Acta Mater.2003,51,4135.doi:10.1016/S1359-6454(03)00232-5

(25)Jin,Z.H.;Gumbsch,P.;Ma,E.;Albe,K.;Lu,K.;Hahn,H.;Gleiter,H.Scripta.Mater.2006,54,1163.doi:10.1016/j.scriptamat.2005.11.072

(26) Cao,A.;Wei,Y.Phys.Rev.B2006,74,214108.doi:10.1103/PhysRevB.74.214108

(27) Cao,A.;Wei,Y.J.Appl.Phys.2007,102,083511.doi:10.1063/1.2794884

(28)Afanasyev,K.A.;Sansoz,F.Nano Lett.2007,7,2056.doi:10.1021/nl070959l

(29) Zhang,Y.F.;Huang,H.C.Nanoscale Res.Lett.2009,4,34.doi:10.1007/s11671-008-9198-1

(30) Zhang,J.;Xu,F.;Yan,Y.;Sun,T.Chin.Sci.Bull.2013,58,684.doi:10.1007/s11434-012-5575-3

(31)Yuan,L.;Jing,P.;Liu,Y.H.;Xu,Z.H.;Shan,D.B.;Guo,B.Acta Phys.-Chim.Sin.2014,63,1.[袁 林,敬 鵬,劉艷華,徐振海,單德彬,郭 斌.物理化學(xué)學(xué)報,2014,63,1.]doi:10.3866/PKU.WHXB201311263

(32)Gao,Y.;Fu,Y.;Sun,W.Comput.Mater.Sci.2012,55,322.doi:10.1016/j.commatsci.2011.11.005

(33) Hoover,W.G.Phys.Rev.A1985,31,1695.doi:10.1103/PhysRevA.31.1695

(34) Nosé,S.J.Chem.Phys1984,81,511.doi:10.1063/1.447334

(35) Daw,M.S.;Baskes,M.I.Phys.Rev.Lett.1983,50,1285.doi:10.1103/PhysRevLett.50.1285

(36)Zhao,J.W.;Yin,X.;Liang,S.;Liu,Y.H.;Wang,D.X.;Deng,S.Y.;Hou,J.Chem.Res.Chin.Univ.2008,24,367.doi:10.1016/S1005-9040(08)60077-X

(37) Liu,Y.;Zhao,J.;Wang,F.Phys.Rev.B2009,80,115417.doi:10.1103/PhysRevB.80.115417

(38) Wang,D.;Zhao,J.;Hu,S.;Yin,X.;Liang,S.;Liu,Y.;Deng,S.Nano Lett.2007,7,1208.doi:10.1021/nl0629512

(39) Wang,F.;Gao,Y.;Zhu,T.;Zhao,J.Nanoscale Res.Lett.2011,6,1.

(40)Zhao,J.;Murakoshi,K.;Yin,X.;Kiguchi,M.;Guo,Y.;Wang,N.;Liang,S.;Liu,H.J.Phys.Chem.C2008,112,20088.doi:10.1021/jp8055448

(41)Wang,F.;Sun,W.;Wang,H.;Zhao,J.;Kiguchi,M.;Sun,C.J.Nanopart.Res.2012,14,1.

(42) Cao,A.;Wei,Y.;Mao,S.X.Appl.Phys.Lett.2007,90,151909.doi:10.1063/1.2721367

(43) Deng,C.;Sansoz,F.Phys.Rev.B2010,81,155430.doi:10.1103/PhysRevB.81.155430

(44) Wang,J.;Li,N.;Anderoglu,O.;Zhang,X.;Misra,A.;Huang,J.;Hirth,J.Acta Mater.2010,58,2262.doi:10.1016/j.actamat.2009.12.013

(45)Wang,Y.D.;Liu,W.;Lu,L.;Ren,Y.;Nie,Z.H.;Almer,J.;Cheng,S.;Shen,Y.F.;Zuo,L.;Liaw,P.K.Adv.Eng.Mater.2010,12,906.doi:10.1002/adem.201000123

(46) Li,X.;Wei,Y.;Lu,L.;Lu,K.;Gao,H.Nature2010,464,877.doi:10.1038/nature08929

(47) Deng,C.;Sansoz,F.Appl.Phys.Lett.2009,95,091914.doi:10.1063/1.3222936

(48) Wei,Y.Mater.Sci.Eng.A2011,528,1558.doi:10.1016/j.msea.2010.10.072

(49) Cao,A.;Ma,E.Acta Mater.2008,56,4816.doi:10.1016/j.actamat.2008.05.044

(50)Gao,Y.;Wang,H.;Zhao,J.;Sun,C.;Wang,F.Comput.Mater.Sci.2011,50,3032.doi:10.1016/j.commatsci.2011.05.023

(51) You,Z.;Lu,L.;Lu,K.Scripta.Mater.2010,62,415.doi:10.1016/j.scriptamat.2009.12.002