據(jù)悉，加拿大滑鐵盧大學(xué)的科研人員報(bào)道飛秒激光誘導(dǎo)的氧化銅納米線可塑性的研究。相關(guān)研究以“Femtosecond laser-induced plasticity in CuO nanowires”為題發(fā)表在《Applied Surface Science》上。

金屬氧化物納米線是制造納米器件（尤其是應(yīng)變傳感器）的理想材料。然而，這些材料的固有脆性限制了其應(yīng)用。科研人員證明，通過飛秒激光輻照進(jìn)行二次處理，可以解決這一限制?？蒲腥藛T的研究表明，氧化銅納米線在室溫下的力學(xué)性能可以調(diào)節(jié)，以減少脆性破壞并增強(qiáng)塑性?？蒲腥藛T利用透射電子顯微鏡圖像研究了飛秒激光處理誘導(dǎo)塑性的微觀機(jī)制。在適度的激光輻照強(qiáng)度下，這種處理方法通過產(chǎn)生更高密度的氧空位來(lái)誘導(dǎo)氧化銅納米線的塑性，從而使納米線的構(gòu)型從斷裂變?yōu)閺澢?。在彎曲的納米線中，由于高應(yīng)變率，空位從彎曲拉伸區(qū)遷移到壓縮區(qū)，導(dǎo)致局部激光誘導(dǎo)氧化銅向缺氧成分相變。飛秒激光誘導(dǎo)的氧空位凝聚為擴(kuò)散機(jī)制的激活鋪平了道路，而擴(kuò)散機(jī)制反過來(lái)又促進(jìn)了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，從而導(dǎo)致了亞結(jié)構(gòu)的發(fā)展。此外，納米壓痕分析還進(jìn)一步證明了飛秒加工納米線具有類似金屬的塑性行為。這一結(jié)果可用于提高納米線在未來(lái)應(yīng)用中的性能。

亮點(diǎn)：

1.飛秒激光在氧化銅納米線中誘導(dǎo)出高密度的氧空位。

2.誘導(dǎo)的空位促進(jìn)了亞結(jié)構(gòu)和亞晶粒的形成。

3.彎曲過程中空位凝聚形成擴(kuò)散路徑。

4.氧空位形成局部缺氧相。

5.飛秒激光通過產(chǎn)生缺陷增強(qiáng)氧化銅納米線的可塑性。

圖 1：a)飛秒脈沖激光輻照裝置示意圖；b)所制備納米線薄膜取向良好、垂直排列的SEM圖像；c,d)所制備單晶單斜CuO納米線的明場(chǎng)TEM 圖像，以及相應(yīng)的SAD圖樣和EDS分析。

圖 2.在a)80 mJ/cm2下15秒、b) 80 mJ/cm2下50秒、c) 120 mJ/cm2下15秒、d)120 mJ/cm2下50秒、e) 180 mJ/cm2下15秒和f) 180 mJ/cm2下50秒激光加工后氧化銅納米線的掃描電鏡圖像。

圖 3.制備前與飛秒輻照后氧化銅納米線的XPS分析。

圖 4.XRD分析追蹤激光加工氧化銅納米線試樣相對(duì)于未加工試樣的結(jié)構(gòu)變化。

圖 5.原始和激光加工過的氧化銅納米線樣品的納米壓痕測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置和結(jié)果。

圖 6.在120 mJ/cm2的通量下激光照射50秒后彎曲納米線的TEM表征。

圖 7.飛秒激光輻照后CuO納米線在彎曲過程中頸縮區(qū)域內(nèi)的亞結(jié)構(gòu)演變示意圖。

圖 8.在 120 mJ/cm2的通量下激光照射50秒后，CuO 納米線橫截面的TEM 表征。

本文對(duì)飛秒激光輻照下氧化銅納米線的結(jié)構(gòu)演變進(jìn)行了全面分析，強(qiáng)調(diào)了增強(qiáng)脆性氧化銅納米線可塑性的機(jī)制。研究表明，飛秒激光可有效地用于氧化銅納米線機(jī)械性能的原位工程。使用優(yōu)化的激光能量和輻照時(shí)間作為加工參數(shù)，當(dāng)樣品受到120 mJ/cm2能量的脈沖輻照時(shí)，可以觀察到從脆性到塑性的明顯轉(zhuǎn)變。在這些條件下，單個(gè)氧化銅納米線在機(jī)械載荷的作用下保持不斷裂，但大部分會(huì)彎曲，變得具有延展性。對(duì)XPS數(shù)據(jù)的分析表明，這種行為與氧空位缺陷密度的增加相對(duì)應(yīng)。這表明飛秒激光輻照產(chǎn)生的高密度氧空位在彎曲過程中容納應(yīng)變和抑制導(dǎo)致斷裂的機(jī)制方面起著至關(guān)重要的作用。在HRTEM顯微照片中可以明顯追蹤到這一過程，它源于氧空位凝聚產(chǎn)生的擴(kuò)散機(jī)制的激活。它們使原子具有流動(dòng)性，從而在單晶納米線的橫截面上形成不同的晶粒，從而促進(jìn)了納米通道內(nèi)的位錯(cuò)滑行。研究還發(fā)現(xiàn)，輻照氧化銅納米線的局部區(qū)域發(fā)生了從氧化銅到缺氧相的相變，從而增強(qiáng)了非彈性響應(yīng)。通過XRD和HRTEM獲得的納米衍射圖樣證實(shí)了這些納米線中存在Cu2O相。這些結(jié)構(gòu)改性促進(jìn)了從脆性斷裂模式到更具韌性的類金屬行為的轉(zhuǎn)變。這種轉(zhuǎn)變的特點(diǎn)是出現(xiàn)了明顯的縮頸現(xiàn)象，證實(shí)了輻照樣品中材料響應(yīng)性質(zhì)的轉(zhuǎn)變。根據(jù)屈服壓力定律，從納米壓痕測(cè)試中獲得的H/Py比率在激光加工樣品中從未加工脆性氧化銅納米線的2.2增至3.2，表明從脆性區(qū)域過渡到塑性區(qū)域。