使用热机械纳米成型进行纳米制造

纳米技术的进步需要针对各种可用材料、元素和参数开发纳米制造方法。现有的方法不具备特定的特性，通用纳米制造的通用方法仍然难以捉摸。在现在发表在《科学进展》上的一份新报告中耶鲁大学和康涅狄格大学的机械工程和材料科学科学家团队，刘乃佳、刘冠南和一组科学家描述了热机械纳米成型的潜在机制，以揭示一种高度通用的纳米制造方法。基于这些结果，他们可以调节、组合和预测开发具有材料组合和长度尺度的通用材料的能力。热机械纳米成型的机械起源及其依赖于温度的转变提供了一种将许多材料组合成纳米结构的过程，并提供纳米级可成型形状的任何材料。

热机械纳米成型(TMNM)

研究人员必须推进纳米制造方法来开发纳米器件，以响应纳米级应用不断增长的需求。因此，理想的是促进一种制造方法，该方法可以开发具有多种特征的一系列材料，包括形状、长度和受监管的元素纳米结构。需求可以跨越从光学、电子、生命科学和能量收集到量子材料的各个领域。虽然研究人员已经开发了许多方法为了实现这些应用，大多数纳米制造方法都相对有限。为了生产一种通用的纳米制造方法，提供一种调节纳米线尺寸、形状、化学和元素分布的过程，研究人员必须对制造、长度调节、元素组成及其传输的潜在机制有更深入的了解。热机械纳米成型(TMNM)是金属领域的最新进展，可用于纳米制造。在这项工作中，刘等人。确定了TMNM的大小和温度相关的潜在机制，以提供各种材料和材料组合，以及一系列材料的元素分布。

为了开发纳米结构，Liu等人。在施加压力和升高的温度下在纳米图案硬模中驱动原料(原材料)。他们估计体扩散、界面扩散和位错滑移来调节这一过程作为潜在机制。为了确定TMNM的基本机制，科学家们分析了成型长度与成型条件的关系。体扩散和界面扩散的缩放基于菲克定律.他们使用缩放实验来确定给定处理参数集的TMNM机制，以揭示在高同源温度下以扩散为主的TMNM。相比之下，在低同源温度下，位错滑移机制主导了TMNM。实验结果表明，通过两种机制的叠加，可以更好地描述扩散或位错机制。控制TMNM机制的转变不仅发生在温度上，而且还发生在成型尺寸上。使用该方法，该团队通过扩散开发了直径低至5nm的超细纳米线。然而，开发更小直径的模具具有挑战性。为了形成更小直径的导线，他们使用了位错滑动主导的TMNM。通过这种方式，研究人员可以使用一步成型工艺分别基于位错滑移主导机制和界面扩散机制开发微米和纳米特征。该方法还允许使用多种材料，包括纯金属、非金属元素、氧化物和陶瓷。

异质结构的开发

实验条件还使团队能够调节元素分布并形成一系列异质结构纳米线，对许多应用特别感兴趣，包括工作原理依赖于功能接口的纳米器件、光电探测器、场效应晶体管和发光二极管。.为了展示使用TMNM开发异质结构纳米线，该团队在原材料中加入了铜(Cu)和银(Ag)层，并考虑了这些层的不同顺序。他们展示了扩散主导的TMNM如何形成单晶结构的纳米线，而通过位错滑移形成的纳米线是多晶的，或者保持“竹子”晶粒结构。刘等人。使用透射电子显微镜进一步研究了Cu-Ag异质结构和Ag/Cu界面。结果显示银和铜之间的界面清晰而干净。

外表

通过这种方式，NaijiaLiu及其同事展示了通过使用TMNM(热机械纳米成型)工艺设计加工和材料特性来调节纳米线上元素分布的可能性，以实现多功能纳米结构。实验的一个方面包括原材料，它可以被合金化或制成层状结构。该团队考虑了元素的相对扩散率来定义它们在原材料中的存在。使用该技术，Liu等人。可以开发出均匀的合金纳米线。他们强调了TMNM的潜在机制如何基于温度和尺寸相关的转变。例如，在高温和小尺寸变化的情况下，该方法依赖于材料和模具界面处的扩散。在更大的尺寸和低温下，位错滑动机制主导了结果。所描述的热机械纳米成型技术是一种强大的范式转变，可以在纳米尺度上实现具有所需特征的纳米应用。

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