據悉，加拿大滑鐵盧大學的科研人員報道飛秒激光誘導的氧化銅納米線可塑性的研究。相關研究以“Femtosecond laser-induced plasticity in CuO nanowires”為題發表在《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用。科研人員證明，通過飛秒激光輻照進行二次處理，可以解決這一限制。科研人員的研究表明，氧化銅納米線在室溫下的力學性能可以調節，以減少脆性破壞并增強塑性。科研人員利用透射電子顯微鏡圖像研究了飛秒激光處理誘導塑性的微觀機制。在適度的激光輻照強度下，這種處理方法通過產生更高密度的氧空位來誘導氧化銅納米線的塑性，從而使納米線的構型從斷裂變為彎曲。在彎曲的納米線中，由于高應變率，空位從彎曲拉伸區遷移到壓縮區，導致局部激光誘導氧化銅向缺氧成分相變。飛秒激光誘導的氧空位凝聚為擴散機制的激活鋪平了道路，而擴散機制反過來又促進了位錯運動，從而導致了亞結構的發展。此外，納米壓痕分析還進一步證明了飛秒加工納米線具有類似金屬的塑性行為。這一結果可用于提高納米線在未來應用中的性能。
亮點：
1.飛秒激光在氧化銅納米線中誘導出高密度的氧空位。
2.誘導的空位促進了亞結構和亞晶粒的形成。
3.彎曲過程中空位凝聚形成擴散路徑。
4.氧空位形成局部缺氧相。
5.飛秒激光通過產生缺陷增強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TEM 圖像，以及相應的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于未加工試樣的結構變化。
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試實驗裝置和結果。
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域內的亞結構演變示意圖。
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。
本文對飛秒激光輻照下氧化銅納米線的結構演變進行了全面分析，強調了增強脆性氧化銅納米線可塑性的機制。研究表明，飛秒激光可有效地用于氧化銅納米線機械性能的原位工程。使用優化的激光能量和輻照時間作為加工參數，當樣品受到120 mJ/cm2能量的脈沖輻照時，可以觀察到從脆性到塑性的明顯轉變。在這些條件下，單個氧化銅納米線在機械載荷的作用下保持不斷裂，但大部分會彎曲，變得具有延展性。對XPS數據的分析表明，這種行為與氧空位缺陷密度的增加相對應。這表明飛秒激光輻照產生的高密度氧空位在彎曲過程中容納應變和抑制導致斷裂的機制方面起著至關重要的作用。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生的擴散機制的激活。它們使原子具有流動性，從而在單晶納米線的橫截面上形成不同的晶粒，從而促進了納米通道內的位錯滑行。研究還發現，輻照氧化銅納米線的局部區域發生了從氧化銅到缺氧相的相變，從而增強了非彈性響應。通過XRD和HRTEM獲得的納米衍射圖樣證實了這些納米線中存在Cu2O相。這些結構改性促進了從脆性斷裂模式到更具韌性的類金屬行為的轉變。這種轉變的特點是出現了明顯的縮頸現象，證實了輻照樣品中材料響應性質的轉變。根據屈服壓力定律，從納米壓痕測試中獲得的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，表明從脆性區域過渡到塑性區域。
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