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最新《Nature》:纳米等离子体助力超快电子的皮秒级开关!

时间2023-01-25 11:05:30发布分享专员分类系统综合问题浏览65

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  • 最新《Nature》:纳米等离子体助力超快电子的皮秒级开关!
  • Nature、Science综述汇总-004期
  • 优秀核物理学术论文
  • 重磅!《Nature》子刊:颠覆理论!金属材料软而坚韧可以兼得
  • 一、最新《Nature》:纳米等离子体助力超快电子的皮秒级开关!

    本文提出了一种基于纳米级等离子体的新型集成全电子器件,该器件能够在很宽的功率范围内实现皮秒级的电信号切换,除了其简单性和较低的制造成本外,其性能还超过了当前的超高速电子器件。为未来的芯片级超快电子和太赫兹信号源提供了新的视野。

    在量子测量、成像和感测技术,先进的生物处理和超高的数据速率通信中超宽带信号和太赫兹波广泛应用,引起了人们对超快电子器件的广泛关注。在此类应用中,电子开关的高速操作极具挑战性,尤其是在需要高振幅输出信号的情况下。例如,场效应和双极结型器件具有良好的可控性和优异的性能,但它们相对于其导通状态电流的相对较大的输出电容实质上限制了它们的开关速度。近日,瑞士洛桑联邦理工大学ElisonMatioli教授(通讯作者)演示了一种基于纳米级等离子体的新型集成全电子器件,该器件能够在很宽的功率范围内实现皮秒级的电信号切换。相关论文以题为“Nanoplasma-enabled picosecond switches for ultrafast electronics”于2020年3月25日发表在Nature上。

    论文链接

    https:///articles/s41586-020-2118-y

    基于III-V化合物半导体的纳米尺度晶体管,例如:例如砷化镓(GaAs),砷化铟(InAs)和磷化铟(InP),是许多高速和高频电子系统的核心。由于它们的高电子迁移率,这些器件在太赫兹范围内表现出非常高的小信号截止频率。然而,晶体管的高频,大信号性能仍然是一个挑战,因为它受到输出电容Cout,电子饱和速度和临界电场的严重限制。具有饱和电流Imax的晶体管(图1a)的最大开关速度仅限于:

    其中Z是负载电阻,v是漏源电压,t是时间。如图1d所示,约翰逊的品质因数(JFOM)表示GaAs和InP的开关速度甚至小于1 V ps-1,这是两种具有很高电子迁移率的半导体,也是超快电子学的主要候选者。如等式(2)所述,最大开关速度为1 V ps-1对应于Z=50Ω在1T Hz时的2.5mW的输出功率。这种限制不仅可以在基于晶体管的功率放大器的性能中看到,而且在其他基于固态的方法的性能中也可以看出。

    等离子装置,例如气体放电管,具有接近理想的导通状态,提供极高的电流密度,并且不表现出Cout限制的开关速度。但是,这些设备的动态性能受到其相对较低的电场和两个端子之间相当大的电子散射的严重限制,这导致了纳秒级转换时间。作者通过使用在大气中形成纳米等离子体来实现超快开关,该开关克服了固态电子器件和大规模等离子体开关的速度限制。纳米等离子体的小体积中非常高的电场导致超快的电子转移,从而具有极短的时间响应。因此,设备实现了超快的开关速度,高于每皮秒10伏,这比场效应晶体管大了约两个数量级,比常规电子开关快了十倍以上。同时测量了非常短的上升时间,下降到5皮秒,这受采用的测量设置的限制。通过将这些器件与偶极天线结合在一起,发射功率频率为600mV的高功率太赫兹信号,远大于致密型固态电子技术的先进水平。

    图1.固态电子器件的开关速度限制

    图2. 纳米等离子开关的概念

    图3.纳米等离子开关的实现

    图4. 利用纳米等离子开关产生脉冲

    总之,本文提出了一种可集成的设备概念,该概念可实现高幅度信号的皮秒开关。除了其简单性和较低的制造成本外,其性能还超过了当前的超高速电子器件。通过适当的电路设计,纳米等离子体设备可以生成超快的高功率阶跃和脉冲信号,这是超宽带系统的关键要素。同时所提出的设备的高性能和简单性为未来的芯片级超快电子和太赫兹信号源提供了新的视野,并将其应用于通信,成像,传感和生物医学等领域。(文:Caspar)

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    一、Nature、Science综述汇总-004期

    Nature、Science综述汇总-004期

    《自然》2020年6月25日,第582卷,7813期

    主序前恒星AU Microscopii周围残骸盘中的一颗行星

    作者:

    Peter Plavchan, Thomas Barclay, Jonathan Gagné, Peter Gao, Bryson Cale, William Matzko, et al.

    链接:

    摘要:

    太阳磁场是由对流等离子体的地下运动产生的。在11年的太阳活动周期中,太阳表面磁场聚集(即太阳黑子)所在的维度向赤道漂移。

    我们使用日震学来推断1996-2019年间两个太阳周期的经向流(纬向和径向)。我们使用了两个在2001-2011年重叠期间一致的数据源。经向时间平均流在每个半球是一个单体,带着等离子体在45 纬度以每秒4米的速度向对流区底部的赤道方向移动。

    我们的结果支持传输流动力模型,该模型解释了太阳黑子出现维度通过经向流的漂移。


    围绕最亮的红矮星GJ 887运行的超地球行星系统

    作者:

    S. V. Jeffers, S. Dreizler, J. R. Barnes, et al.

    链接:

    摘要:

    离太阳很近的系外行星提供了详细描述太阳系外行星的机会。利用径向速度测量,我们报告发现了一个紧凑的超级地球系外行星系统围绕附近的红矮星GJ 887运行。

    这两颗行星的公转周期分别为9.3天和21.8天。假设有类似地球的反照率,这颗21.8天的行星的平衡温度约为350开尔文。这两颗行星位于水可以液态形式存在得宜居带区域,但靠近其边缘。

    我们还探测到一个周期约为50天的未经证实的信号,这可能相当于第三个处于更温和轨道的超级地球。我们的观测表明,GJ 887的光度变化率低于1/2000,这对红矮星来说是异常安静的。


    各向异性金纳米晶的胶束定向手性种子生长

    作者:

    Guillermo González-Rubio, Jesús Mosquera, Vished Kumar, et al.

    链接:

    摘要:

    表面活性剂辅助金属纳米颗粒(NPs)生长可以通过在不对称辅助表面活性剂存在下形成手性胶束的模板效应来获得具有较高手性活性的各向异性金纳米晶。

    混合胶束吸附在金纳米棒上,形成准螺旋状图案,以明显的形态学和光学旋向直接种子生长成NPs。明显的手性褶皱导致手性等离子体模具有高的不对称因子(~0.20)。

    通过改变手性褶皱的尺寸,手光性质可以在可见光和近红外光谱内进行调整。这种胶束定向机制可以扩展到其他系统,比如手性铂壳在金纳米棒上的种子生长。该方法为制备具有高手性光学活性的NPs提供了一种可重复、简单和可扩展的方法。

    质量分辨电子圆二色性离子光谱学

    作者:

    Steven Daly, Frédéric Rosu, Valérie Gabelica

    链接:

    摘要:

    DNA和蛋白质具有手性:它们的三维结构不能与镜像叠加。圆二向色光谱法广泛应用于手性化合物的表征,但对混合物的数据解释较为困难。

    我们记录了在质谱仪中分离的DNA螺旋的电子圆二色谱。我们研究了具有不同二级结构的富G链,以负离子的形式电喷射,用紫外纳秒光参量振荡器激光照射,并测量了左右圆偏振光的电子光解效率的差异。

    重建的圆二向色性离子光谱类似于它们的液相对应物,从而允许我们分配DNA螺旋拓扑。直接在生物分子离子上测量圆二色性的能力扩展了质谱分析结构的能力。


    接触方式的变化塑造了中国新冠疫情发展动态

    作者:

    Juanjuan Zhang, Maria Litvinova, Yuxia Liang, et al.

    链接:

    摘要:

    为阻止2019新型冠状病毒(COVID-19)传播,中国实施了密集的非药物干预措施。随着传播在其他国家的加剧,年龄、接触方式、 社会 距离、感染易感性和COVID-19动态之间的相互作用仍不清楚。

    为了回答这些问题,我们分析了武汉和上海在疫情爆发前和期间的接触调查数据以及湖南省的接触追踪信息。在因新冠疫情保持社交距离的期间,日常接触减少了7 - 8倍,大多数接触仅限于家庭。

    我们发现,相比15至64岁的成人(优势比为0.34,95%可信区间0.24到0.49),0到14岁的儿童更不易受SARS-CoV-2感染,而65岁以上的成人更容易感染(优势比为1.47,95%可信区间1.12到1.92)。基于这些数据,我们建立了一个传播模型来研究社交距离和学校关闭对传播的影响。

    我们发现,中国在疫情爆发期间仅采取社交距离控制就足以控制COVID-19的传播。虽然主动关闭学校本身不能阻断传播,但可以将高峰发病率降低40%至60%,并延缓疫情发展。


    基于超构透镜阵列的高维多光子量子源

    作者:

    Lin Li , Zexuan Liu, Xifeng Ren, et al.

    链接:

    摘要:

    二维超表面的发展在量子光学技术中显示了巨大的潜力,因为它在光场操作方面具有良好的灵活性。通过将超构透镜阵列与非线性晶体集成,我们在10 10阵列中演示了100路自发参量下转换光子对源,显示了高维纠缠和多光子态产生的前景。

    我们展示的二维、三维以及四维路径纠缠态的保真度分别达到98.4%,96.6%和95.0%。此外,我们观察到4光子和6光子的产生,不同金属产生的光子具有很高的不可分辨性。

    我们的超构透镜阵列量子光子源结构紧凑、稳定、可控,为集成量子器件提供了一个新的平台。

    适应北极的狗出现在更新世-全新世过渡时期

    作者:

    Mikkel-Holger S. Sinding, Shyam Gopalakrishnan, Jazmín Ramos-Madrigal, et al.

    链接:

    摘要:

    通过对10只现代格陵兰雪橇犬、一只具有考古学证据与雪橇技术有关的约9500岁的西伯利亚犬和一只约33000岁的西伯利亚狼进行基因组测序,我们应用了基因组学方法来研究它们在时空中的联系。

    我们发现古代狗和现代雪橇犬之间有显著的基因相似性。我们检测了从更新世西伯利亚狼(但不是现代美国狼)到现代雪橇犬的基因流。

    这一结果表明,现代雪橇犬的主要祖先可以追溯到西伯利亚,那里的雪橇犬特有的单倍型基因在9500年前就已经建立起来了,而这种基因可能与适应北极的环境有关。

    二、优秀核物理学术论文

      核物理是研究射线束的产生、探测和分析技术;以及同核能、核技术应用有关的物理问题。下面我给大家分享一些核物理学术论文,大家快来跟我一起欣赏吧。

      核物理学术论文篇一

      激光核物理

      摘 要 在最近十年,激光技术有了长足的进展,激光的强度超过了1022W/cm2, 激光的电场达到~4×1012V/cm.当这种高强度的激光照射在靶上时,可以产生许多由激光产生的核反应现象.在这篇 文章 中,作者回顾了这一领域的 研究 进展,并对在不远的未来激光产生 电子 ?质子?中子?X射线和正电子 发展 的潜力进行了一些讨论.

      关键词 啁啾脉冲放大,粒子云,正电子发射层析术,库仑爆炸

      1 什么是

      最近十年中,激光技术有了显著的进展,激光强度已超过1022W/cm2,激光的电场强度达到3.8×1012V/cm,比氢原子中电子玻尔轨道上的库仑场大759倍,相当于在原子大小上相应加上约40kV的电压,在原子核大小上相应加上约0.38V的电压,在这种很强的电场作用下,所有的原子都会在极短的时间内被电离,产生从几个MeV到几百MeV的质子,几十MeV到GeV的电子和其他粒子,以及韧致辐射和中子,这些粒子可以产生核反应,打开了核物理以及非线性相对论光学研究的新领域[1—3].

      在今后的十年中,激光强度可能会提高到1026—1028W/cm2,这样高强度的激光可以将粒子加速到1012—1015eV,并将成为研究粒子物理?引力物理?非线性场论?超高压物理?天体物理和宇宙线研究中的一个有力工具[1].

      超高功率超短脉冲激光技术的发展,在实验室中创造了前所未有的极端物态条件,如高电场?强磁场?高能量密度?高光压和高的电子抖动能量?高的电子加速度,这种极端的物理条件, 目前 只有在核爆中心?恒星内部?星洞边缘才能存在,在它和物质的相互作用中,产生了高度的非线性和相对论效应,产生了崭新的物 理学 领域,也为多个交叉学科前沿研究领域带来了 历史 性的机遇和拓展的空间.

      2 国内外研究现状

      当前国际上已经在一些实验室中建立了几十TW到几个PW的激光系统,在上世纪80年代中期,以前激光的强度长期停留在1014W/cm2左右,这是由于非线性吸收效应随着激光强度的增加而迅速增强,在80年代中期之后,由于采用了啁啾脉冲放大技术(chirped pulse amplification, CPA),激光强度提高了6—7个数量级,在CPA技术中,一个飞秒或皮秒的脉冲通过色散的光栅对在时间尺度将它展宽了3—4个数量级,这样就避免了放大器的饱和以及在很高强度时由于非线性效应产生的光学放大器件的损伤,在经过放大以后,再由另一光栅对将脉冲宽度压缩回到飞秒或皮秒宽度,以获得1019W/cm2到1022W/cm2的靶上功率密度.CPA超短脉冲TW的激光装置在法国光学 应用 研究所?瑞典Lund大学?德国Mark-Plank研究所?德国Jena大学?日本JAERI和 中国 工程物理研究院?中科院上海光学精密机械研究所?中科院物理研究所?中国原子能 科学 研究院等都建有.日本原子能研究所采用变形镜和CPA相结合的技术,运用低f值的抛物面镜,将激光聚焦于1μm的斑点,可以进一步提高焦斑上的功率密度,但是由于放大介质的单位面积上的饱和能量通量和光学元件的损伤阈值的限制,单位面积上最大的光强度?I??th?=hν3σΔν?ac2?,这个数值约为10?23?W/cm2.美国LLNL正在计划建造10?18?W(exawatt)和10?21?W(zettawatt)的激光装置,以期获得1026W/cm2 —1028W/cm2的靶上功率密度.

      高强度的激光可以引起许多核反应,当激光强度I>10?18?W/cm2时,在激光电场做抖动的电子能量达到0.511MeV,产生了相对论等离子体.运用强激光在等离子体中产生的尾场去加速电子,如用一台紧凑型的重复频率的激光器可以产生200MeV的电子.这种激光等离子体型的加速器具有比通常电子加速器高出1000倍的加速梯度,即达到GV/m.运用高强度?单次脉冲的激光也获得了100MeV的电子,并测量到它的韧致辐射.超短超强激光还可以产生质子束,并开始运用这些质子束产生正电子发射层析术(positron emission tomography,PET)所需要的短寿命的正电子放射源,一种用激光来产生的小型化的和 经济 的质子产生器有望在未来用于质子治癌.运用超短超强激光直接产生正电子已在英国卢瑟福实验室开展,他们用重复频率的TW级的激光,打在高Z元素的靶上得到每脉冲2×107个正电子,它对于基础研究和材料科学很有用途.通过超短超强激光和氘团簇的相互作用,产生聚变反应的中子,其中子产额可以达到105中子/焦耳,激光产生中子的能量效率已达到世界上大型的激光装置的水平,它可以成为台面的中子源,由于其中子脉冲通量高,但总的中子剂量很小,适合于生物活体的中子照相和材料科学的研究.运用超短超强激光和氘化聚乙烯作用产生中子,Hilsher等人用钛宝石激光(300mJ, 50fs, 10Hz, 10?18?W/cm2) 轰击氘化聚乙烯靶,产生104中子/脉冲.运用超短超强的激光在相对论性的电子上的散射,产生几百飞秒?几十埃的硬X射线,可以用来研究材料和生命科学的一些 问题 ,这种超快的硬X射线源对于研究一些高Z物质和时间分辨的超快现象具有重要的意义.超短超强激光所产生的高能电子,在物质中产生高能X射线,可以在裂变物质铀中引起裂变,并在裂变靶中探测到许多裂变产物.在激光的强度达到1028W/cm2时,电场强度只比Schwinger场(真空击穿场强)低一个数量级,在这样的场中,由于真空的涨落被激发,激光就有可能从真空中产生正负电子对,美国Lawrence Berkerly实验室在SLAC高能加速器上,用10?18?W/cm2的激光束和聚焦性能很好的46.6GeV的电子束相碰撞,产生了200多个正负电子对,这是由于在反向相碰的电子和激光中,从电子的坐标系来看,激光的场强增强了Lorentz因子倍,以至于可以远远地超过Schwinger场值,直接从真空中产生一些电子对.

      3 新的科学研究的 内容 ,新的交叉点

      3.1 激光产生高能电子[4—7]

      产生高能电子的机制有两种:第一种是在激光场作用下,电子做抖动运动,在激光强度I=10?20?W/cm2时,电子抖动运动能量能达到10MeV;第二种是由非线性效应所产生的能量比较高的部分.用300J,0.5ps的激光照射在厚的金靶上,测量到的电子能谱分布基本上由两个部分组成:一部分是由有质动力产生的,它的能量在20—30MeV以下,还有一部分就是由非线性效应产生的几十MeV以至100MeV以上的高能量的电子,并和粒子云(particle in cell,PIC) 的 计算 结果符合,目前加速电子最高能量已达1GeV.能散度可达3% .

      当激光的强度增加时,光波的压力变得很大,光压推着电子往前走,光波就像一个光子耙将等离子体中的电子推到脉冲的前面积累,形成电子的“雪耙”(snow plow) ,在这种“雪耙”加速中,电子的动能得到增益.在综合了光压作用和激光场的作用后,计算得到在激光强度为I=1026W/cm2时,加速梯度可达200TeV/cm,如果加速长度达到1m,电子能量为2×10?16?eV,在I=1028W/cm2时,加速梯度可达2peV/cm,加速长度为1m时,电子能量为2×10?17?eV,可以用来研究高能物理中的许多问题.

      3.2 激光产生质子束[8,9]

      在激光等离子体中,在I=10?20?W/cm2的情况下,加速质子的能量可以高达58MeV.加速梯度约为1MV/μm.质子被加速的距离只有60μm左右,如何增长加速距离成为非常重要的研究内容,加速质子的机制是相当复杂的,也提出了一些加速模型的设想.实验上的研究结果已显示它存在很好的应用前景.这表现在:

      (1) 激光能量转换成质子束能量的效率是高的,而且和激光的能量有关,在激光脉冲能量为10J?宽度为100fs时,转换效率为1%,当500J?500fs时,转换效率为10%,人们已经获得了10?13?质子/脉冲,质子脉冲宽度约1ps,相当于10?25?质子/秒,即?1.6×?106A的脉冲质子流.

      从 理论 到实验应该研究如何进一步提高能量转换效率的问题,尤其是当激光能量进一步提高时,转换效率是否还继续上升.

      (2) 质子束的发散角比较小,观察到的横向发散角为0.5mm·mrad,比通常加速器上加速的质子束的发散角小.

      (3) 高能质子束的获得可能会在今后的十年中实现,按照Bulanov等人的计算结果,在I=10?23?W/cm2时,质子可以被加速到1GeV以上,在I=1026W/cm2和1028W/cm2时,质子能量可以达到100GeV和 10TeV.

      (4) 目前已获得几十MeV的质子束,并已用于为PET产生?18?F等短寿命的正电子源,在英国Rutherford实验室的Vulcan装置上,在20分钟内制备了109Bq的?18?F源,已经可以用在PET上.

      (5) 产生200MeV的质子,并用于质子治癌,由于它在能量沉积上的优越性能,以及整个装置可以做得小,成本低,所以在治癌应用上很有发展前景,并可应用于中子照相.目前由激光加速产生的质子的能量分散度为17%.治癌应用要求能散度≤3%左右,因此减少能散度的工作在一些实验室正在进行中.

      3.3 激光产生中子[10,11]

      超短超强激光加热氘团簇产生核聚变,已经产生了104中子/脉冲或105中子/焦耳,从激光的能量转换成中子的效率看,和美国LLNL上的大型激光器NOVA上的每焦耳激光的中子产额相当,比日本大阪大学的大型激光装置Gekko 12上的数值大一个数量级,因此是一种很有 发展 前景的桌面台式的中子发生器,因为这种中子源的时间宽度只有1ps,是一个高中子通量的中子源,可用于材料 科学 和中子照相.

      氘的团簇在吸收激光能量后要发生库仑爆炸,应该说到现在为止对于库仑爆炸的机理理解尚不非常清楚,尤其是团簇爆炸后产生的氘分子和氘的小团簇如何产生氘-氘的聚变反应也缺乏细致的了解,在进一步的改进方面,还有发展的余地,例如,如何采用多束的超短超强激光同时照射团簇,或用大于50T的脉冲磁场去推迟热等离子体的解体时间,以增加中子产额.

      利用超短超强激光和氘化聚乙烯作用来产生中子,Hilsher等人用钛宝石激光(300mJ,50fs,10Hz,10?18?W/cm2)轰击氘化聚乙烯靶也产生了104中子/脉冲,大约每焦耳的激光产生3.3×104中子.Disdier等人用20J,400fs,5×1014W的激光辐照CD?2靶,获得107中子,每焦耳激光产生了3.5×105中子,这是很高的中子产额,他们还要用500J,500fs,1pW的激光照射CD?2,以获得更多的中子.

      在激光辐照CD?2平面靶时,除了要 研究 激光能量在CD?2靶上的能量沉积的分布外,如何充分地利用沉积的能量是一个很重要的 问题 .沉积的能量有很大一部分要转变成等离子体的动能,在平面靶的情况下,如何设计靶面形状,以最大限度地使等离子体的动能对D-D反应做贡献.

      3.4 激光产生硬的超短(~100fs)X射线[12]

      用超短超强激光(50mJ,0.5TW,100fs)和50MeV的 电子 束散射可以产生4nm,300fs的硬X射线,虽然转换效率不高,但产生的X射线强度可以在Si表面产生衍射峰,可以用来研究Si表 面相 变过程(从固相→熔化过程)的时间分辨的研究,也可以研究蛋白质折叠动力学,蛋白质的折叠时间为1ns,用300fs的硬X射线可用来了解它的折叠过程中的状态.

      3.5 激光产生正电子[13,14]

      将具有几个MeV的电子,经过很好地准直后,射到一个高Z的靶上,通过Trident过程(Z+e-→Z′+2e-+e+)和Bethe-HEitler过程(Z+r→Z′+e-+e++r′)产生正电子,采用重复频率的超短超强激光和高Z靶的相互作用,每脉冲可以产生2×107个正电子,经过慢化后,储存在磁场中,它对于基础科学和材料科学的研究是很有用的.

      4 主要存在的问题和 分析

      这门新兴的交叉学科在国际上也只有十多年的 历史 ,但发展十分迅速,搞激光技术和原子核物理的科学家们已经开始在一起召开学术研讨会,共同参加一些实验,由于它是一个新的生长点,发展比较快,也比较容易发现一些新现象,所以合作的积极性也在日益增长.随着超短超强激光技术的发展,在粒子加速?核物理?甚至粒子物理方面可以做出一些很好的工作来.我国发展的情况有些滞后,学科之间的交叉和合作还没有真正形成,学科之间的了解和交流还不够,因此只在交叉学科的边缘上做了一些工作,按照我国在激光技术和核物理方面的力量来说,都应该有可能做出更多更好的工作. 目前 具有超短超强激光装置的研究单位并不少,但将它们运行好,做出好的物理工作的成果并不多.

      国内的情况也和国际上相似存在着一个问题,即搞强激光技术的专家和搞核物理和粒子物理专家之间的交流?讨论不够,这就会 影响 这一交叉学科的发展.

      从强场物理到超短超强激光技术,到 应用 于各个领域,在世界上是基础科学和技术进步相互推动,相互作用的一个范例,基础研究的需求,以及光学科学的基础,非线性科学的基础,促进了超短超强激光技术的发展,而高强度激光的发展又为物 理学 的发展提供一个崭新的世界.

      参考 文献

      [1] Tajima T, Mourou G. Physical Review Special Topics\|Accelerators and Beams, 2002, 5:037301

      [2] Mourou G, Tajima T, Bulanov S V. Reviews of Modern Physics, 2006, 78: 309

      [3] Lee mans W P et al. Nature Physics, 2006, 2: 696

      [4] Thomas Katsouleas. Nature, 2004, 431: 515

      [5] Mangles S P D et al. Nature, 2004, 431 :535

      [6] Geddes C G R et al. Nature, 2004, 431: 538

      [7] Farue J et al. Nature, 2004, 431:541

      [8] Wilks S C et al. Physics of Plasma, 2001, 8:542

      [9] Schwoerer H et al. Nature , 2006, 439: 445

      [10] Perkins L J et al. Nuclear Fusion,2000, 40:1

      [11] Zweiback J et al. Phys. Rev. Lett.,2000, 85:3640

      [12] Kmetec J D et al. Phys. Rev. Lett.,1992, 68: 1527

      [13] Gahn C et al. Appl. Phys. Lett., 2000,77 : 2662

      [14] Gahn C et al. Phys. Rev. Lett., 1999, 83 :4772

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    三、重磅!《Nature》子刊:颠覆理论!金属材料软而坚韧可以兼得

    导读:物理冶金学的传统方法是在金属中添加合金元素来增加它们的强度。还不太清楚固溶强化是否会发生在纳米尺度的物体中,也完全不知道合金化会如何影响无缺陷面纳米颗粒的强度。纯金属无缺陷纳米颗粒显示出接近理论极限的超高强度。在压缩试验中,它们弹性变形,直到第一次位错成核,之后它们塌陷成扁平形状。本文发现镍纳米粒子与钴的合金化降低了它们的极限强度。这种反常的固溶软化效应可以用溶质诱导的分解剪应力的局部空间变化来解释,从而导致过早的位错成核。随后的粒子变形需要更多加工,使其更加坚韧。强度和韧性之间的折衷使合金纳米颗粒有了很好的应用前景。


    晶体材料的理论强度的作用类似于物理学中光速的作用:它无法达到,但设定了可能达到的物理极限。 达到金属材料的理论强度是物理冶金的圣杯。金属的理论强度通常在G/30–G/8的范围内,其中G是金属的弹性剪切模量。实际上,金属和合金在低得多的应力下塑性屈服。它们的塑性变形由新的和现有的位错运动以及新的内部位错源的激活所控制。已经 探索 了几种提高材料强度的策略,例如合金化、沉淀强化、晶粒尺寸减小、晶界工程和微观结构调整。虽然这些策略确实有助于提高力量,但仍远低于理论极限。


    60年前,布伦纳发现金属晶须的强度随着直径的减小而增加,从几微米到更小,最终达到GPa水平。强度的增加主要归因于塑性变形机制的改变,从块体材料中的位错运动和增殖到亚微米尺寸的无缺陷样品中的位错成核。 通过固态去湿获得的金属微粒和纳米颗粒是强度接近理论极限的无缺陷金属物体的例子。 它们表现出比在拉伸中测试的无缺陷金属晶须高得多的压缩强度。在后一种情况下,大的表面积在比在压缩中测试的纳米颗粒所能支持的小得多的应力下催化位错半环的异质成核 。


    最近,据报道,由固态去湿产生的无缺陷面心立方镍纳米粒子的强度达到创纪录的34 GPa。颗粒具有多面的形状,具有相对圆形的角和边缘,并且(111)顶面平行于基底排列。在压缩过程中,颗粒表现出高达约0.2的弹性行为,随后突然塌陷成圆饼形状。圆形的边缘和拐角降低了应力集中,并延迟了坍塌,直到应力接近理论极限 。最近,通过两阶段固态去湿生产的体心立方钼微粒达到了甚至更高的压缩强度46 GPa(金属材料有史以来报道的最高强度) 。变形模式和尺寸指数与面心立方镍纳米颗粒相似,表明 缺陷的存在和颗粒形状对强度比晶体结构更重要 。分子动力学模拟有助于理解无缺陷纳米粒子强度的位错机制。


    以前对无缺陷纳米粒子的研究集中在纯金属上。同时,大多数技术应用使用合金而不是纯金属。 合金化是常规冶金中提高材料强度的标准方法。在块状合金中,溶质原子充当钉扎中心,阻碍位错运动并增加强度。 然而,合金化对纳米粒子成核控制变形的影响在很大程度上仍然未知。 在变形的弹性阶段积累的巨大弹性能可以推动新成核的位错高速穿过粒子。尚不清楚传统的固溶硬化机制能否在如此极端的条件下运行。此外,溶质可以通过影响位错成核过程来影响颗粒强度。 然而,溶质对无缺陷金属纳米颗粒强度的影响从未通过实验或模拟进行过研究。


    钴在高温下在催化裂化镍中表现出无限的溶解度。这使我们能够集中研究不受沉淀硬化和其他合金强化机制影响的固溶效应。 基于对大块镍钴合金和镍钴合金线的了解,可以预期钴的加入会增加纳米颗粒的强度。事实上,镍钴合金在整体形式和线材形式上都完全遵循经典的固溶硬化模式。直径为1 mm的退火钢丝的屈服应力从纯镍的47.7 MPa增加到Ni-0.3Co wt.%合金的68.3 MPa,流动应力从176 MPa增加到262 MPa。分子动力学模拟预测,Ni-Co纳米线的强度在添加0.05至0.10摩尔分数的Co后增加到约10 GPa。


    与这一预期相反, 以色列理工学院的 Eugen Rabkin 和美国乔治·梅森大学的 Yuri Mishin 等人 发现无缺陷镍钴纳米粒子的强度实际上随着钴的加入而降低,产生违反直觉的溶质软化效应。 分子动力学模拟表明,软化是由颗粒近表面区域局部分解剪切应力的统计变化增加引起的,触发了第一位错的早期成核。同时,我们表明颗粒的韧性随着钴的加入而增加,产生了强度和韧性的组合,这对于技术应用是有吸引力的。相关研 究成果以题“ T he impact of alloying on defect-free nanoparticles exhibiting softer but toug her behavior ”发表在Nature communications上。


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    纳米粒子是由单晶蓝宝石衬底上的 30纳米厚的镍钴双层膜通过固相去湿制备的 (图1a)。制备了两种靶成分为 Ni-0.3Co和Ni-0.5Co (摩尔分数)的薄膜,以下分别称为 Ni-0.3Co和Ni-0.5Co。也沉积了相同厚度的纯镍膜作为参考。纳米粒子是在1150 的温度下从衬底上 去湿薄膜而形成的。

    图1 固态去湿法制备无缺陷镍钴纳米粒子。(a)(0001)取向蓝宝石衬底上初始镍钴双层薄膜示意图。(b)用于薄膜去湿的热处理方案。




    图2 固态去湿法制备镍和镍钴纳米粒子的表征。通过固态去湿获得的多面单晶(a) Ni ,(b) Ni-0.3Co和(c)Ni-0.5Co纳米粒子的扫描电镜显微照片。明场透射电镜显微照片、选区电子衍射(SAED)图和透射电镜能谱元素分布图(蓝色:镍;黄色:钴)为(d)Ni-0.3Co和(e)Ni-0.5Co纳米粒子。沿着(d)和(e)中标记的线AA和BB穿过颗粒的浓度线轮廓。


    图3 镍和镍钴纳米粒子的力学测试。在这项工作中测量了(a) Ni,(b)Ni-0.3Co和(c)Ni-0.5Co颗粒的工程压缩应力-应变曲线,Ni-0.3Co颗粒的扫描电镜图像(a)在压缩试验期间和(b)在塌陷成圆盘导致应变破裂后。


    这里发现的合金化效应的一个有趣特征是颗粒强度对溶质浓度的非单调依赖性。 模拟显示,在较高浓度下反弹之前,添加约( 0.10-0.15 )钴原子后,颗粒强度相对于纯镍下降约33%(图5c)。我们已经验证了这一假设,即这种效应是由材料的弹性软化引起的,从应力-应变图的初始部分的斜率可以明显看出(图5a)。然而,弹性最小值出现在大约( 0.20–0.25 )钴,并且太浅(相对于纯镍大约12%)以至于不能解释强度的深度最小值。一个更合理的解释是,强度的最小值是由两个相反因素之间的竞争引起的:溶质诱导的第一次位错成核势垒的减少,以及一旦成核势垒被克服,阻碍位错运动的溶质摩擦。 如果第一种效应在较低的钴浓度下更强(导致软化),而第二种效应在较高的浓度下占主导地位(导致硬化),则可能出现最小值。

    图4 合金化对纳米粒子机械强度的影响。(a) Ni,(b)Ni-0.3Co和(c)Ni-0.5Co的实验抗压强度与粒度的函数关系。直线显示线性拟合。


    图5 纳米粒子的机械特性。(a) 40纳米颗粒的典型工程应力-应变曲线。 (b)强度是颗粒大小的函数。(c)强度是35纳米颗粒化学成分的函数。误差线代表一个标准偏差。


    图6 塑性变形早期的位错过程。(a) Ni和(b)Ni-0.5Co的60纳米粒子中的位错成核和增殖。这些数字表示从模拟开始的时间(以皮秒为单位)。位错通过DXA算法可视化,红色原子代表堆垛层错。非错位原子是看不见的。 (c)几种化学成分的35纳米纳米颗粒中的位错节数。


    图7 合金化增加了纳米粒子的韧性。(a) 35纳米纳米颗粒在350.5钴的应变下变形的应力-应变曲线示例。 ( b ) 35纳米颗粒的韧性是应变的函数。 (c)镍和(d)N i-0.5Co 35纳米颗粒的变形形状。原子根据势能被着色,较亮的颜色代表较大的能量。图像下方显示了张力 。


    图8 压缩下纳米颗粒应力的表征。(a)在纯N i 和N i-0.3Co的35纳米粒子中,按最小-最大公式(1)缩放的MRAS分布。插图显示了粒子横截面中的最小-最大缩放的MRAS分布。 ( b )作为垂直于基底的z坐标的函数粒子中的MRAS(在粒子中心z=0)。为了清楚起见,只显示了MRAS分布的高端。(c)粒子顶视图中(b)所示点的位置。六边形对应于顶部(111)面。请注意,最高MRAS值在 Ni-0.3Co粒子中达到,并集中在刻面边缘(红色圆圈)。


    本文报道的实验和模拟表明,无缺陷的镍纳米粒子与钴的合金化降低了它们的强度。这种反常的固溶软化效应与以固溶硬化为主的大块合金的既定行为相矛盾。 同时,合金化使颗粒更坚韧,增加应变硬化,并稳定塑性流动。应该强调的是,尽管相对软化,纳米粒子的强度仍然保持在几十GPa的水平。这种超高强度和更高韧性的结合可以使合金纳米粒子成为许多技术、生物和医疗应用的有前途的候选材料,包括纳米电子、纳米材料和催化。特别是,金属纳米粒子的催化活性可以通过应变工程来优化。例如,催化活性可以通过核壳粒子的壳中产生的粘着应变来增强,但前提是材料能够承受足够高的应力。通过合金化实现的强度和韧性之间的协同作用可以为设计具有高级催化性能的金属纳米粒子打开新的机会。


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