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In-situ Zugversuche an einkristallinen Gold-Nanodrähten im TEM

In situ tensile testing of gold nanowires inside a TEM

by Burkhard Roos
Doctoral thesis
Date of Examination:2012-07-19
Date of issue:2012-11-29
Advisor:Prof. Cynthia Volkert
Referee:Prof. Dr. Cynthia Volkert
Referee:Prof. Dr. Michael Seibt
crossref-logoPersistent Address: http://dx.doi.org/10.53846/goediss-2895

 

 

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Abstract

English

The investigation of size dependent mechanical properties of different materials was of great interest for physicists over the past decades. Whereas the deformation of bulk materials is nearly completely understood and the underlying mechanisms are well known the situation for metals at the nano scale is different and still under discussion. Therefore, in this work the deformation of 40 – 250 nm thick, defect free, and single crystalline gold nanowires was investigated directly in the transmission electron microscope (TEM). These samples provide an ideal model system for such studies because one can eliminate the influence of the microstructure on deformation. In this work it was shown, that stacking faults appear during deformation as the result of the activation of partial dislocations. They nucleate homogenously along the wire length. Twins can be formed through the activation of partial dislocations on neighboring {111} planes. Both deformation mechanisms could be directly observed in TEM. An explanation for the findings is given with a model which describes the nucleation process of dislocations on the atomic scale. The model allows a quantitative estimation of the probability for each process to occur in the experiment and the corresponding stresses needed.
Keywords: nanowire; gold; in situ TEM; partial dislocations; twinning; deformation

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Die Untersuchung größenabhängiger mechanischer Eigenschaften von Metallen ist seit vielen Jahrzehnten ein Betätigungsfeld von Materialphysikern. Während die Beschreibung der Verformung von makroskopischen Proben mit hinreichend grober Mikrostruktur in der Literatur weitestgehend verstanden und akzeptiert ist, ist das Verformungsverhalten von Proben auf der Nanometerskala weiterhin Gegenstand intensiver Forschungsarbeit. Für die vorliegende Arbeit wurde daher die Verformung von 40- 250 nm großen einkristallinen und defektfreien Gold-Nanodrähten direkt im Transmissionselektronenmikroskop (TEM) untersucht. Diese Proben stellen dabei ein ideales Modellsystem dar, weil der Einfluss der Mikrostruktur auf die Verformung ausgeschlossen werden kann. Die Auswertung vieler Zugversuche zeigt, dass Stapelfehler als Resultat der Aktivierung von Partialversetzungen während der Verformung auftreten. Diese entstehen homogen verteilt auf der gesamten Drahtlänge. Durch die Aktivierung vieler gleichartiger Partialversetzungen auf benachbarten {111}-Ebenen kann ein Zwilling im Draht gebildet werden. Auch dieser Verformungsmechanismus konnte direkt im TEM nachgewiesen werden. Die Erklärung der experimentellen Befunde erfolgt in der Arbeit über einen klassischen Ansatz für die Keimbildung von Versetzungen. Das Modell erlaubt eine quantitative Aussage über die Auftrittswahrscheinlichkeit im Experiment und die zu erwartenden Spannungen für die unterschiedlichen Prozesse.
Schlagwörter: Nanodraht; Gold; in-situ TEM; Partialversetzung; Verformung; Zwillingsbildung
 

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