Untersuchung der Versetzungsnukleation in Gold-Nanodrähten durch in-situ Elektronenmikroskopie

Abstract

Die mechanischen Eigenschaften eines Materials spielen eine entscheidende Rolle für mögliche Anwendungen. Für nanoskalige Metalle ist lange bekannt, dass sich deren mechanischen Eigenschaften von ihren bulk-Gegenstücken stark unterscheiden. In bulk-Metallen wird die Verformung durch die Wechselwirkung vorhandener Versetzungen kontrolliert. Dies erweist sich scheinbar auf der Nanoebene als weniger zutreffend, da nur wenige oder keine Versetzungen in nanoskaligen Proben vorhanden sind und diese einfach aus der Probe herauslaufen können, ohne dass es vorher zu einer Wechselwirkung kommt. Die Verformung wird dann bestimmt durch die Nukleation neuer Versetzungen. In dieser Arbeit wurde die Verformung von Gold-Nanodrähten mit einem Durchmesser zwischen 50 und 150nm, die entweder einkristallin oder entlang ihrer Länge verzwillingt waren, untersucht. Auf der einen Seite erfolgte die Durchführung der Versuche in-situ im Transmissionselektronenmikroskop, um die Entwicklung der Defektmorphologie direkt beobachten zu können. Auf der anderen Seite wurden ebenfalls Tests in-situ im Rasterelektronenmikroskop mit einem neu entwickelten Aufbau durchgeführt und dabei das Spannungs-Dehnungs-Verhalten der Nanodrähte analysiert. Sämtliche Nanodrähte zeigten anfänglich ein elastisches Verhalten mit einem Elastizitätsmodul, das größenunabhängig war und nahe an dem entsprechenden Wert für Bulk-Gold lag. Mit Beginn der plastischen Verformung entstehen planare Defekte homogen verteilt entlang der Drähte, sowohl bei einkristallinen als auch verzwillingten Drähten. Zusammen mit der gemessenen Nukleationsspannung zeigte dies eine gute Übereinstimmung mit existierenden Modellen für die Oberflächennukleation von leading-Partialversetzungen, die auf klassischer Nukleationstheorie basieren. Mit weiterer Verformung kommt es ebenfalls zur Nukleation von trailing-Partialversetzungen, wodurch bereits entstandene planare Defekte wieder verschwinden und im Fall von verzwillingten Drähten volle Versetzungen gespeichert werden. Da die Nukleation von trailing-Partialversetzungen durch die existierenden Modelle nicht vorhergesagt wird, öffnet diese Beobachtung neue Fragen, ob klassische Nukleationstheorie in der Lage ist, die Nukleation von Versetzungen korrekt darzustellen.