飞秒激光诱导的氧化铜纳米线可塑性

据悉，加拿大滑铁卢大学的科研人员报道飞秒激光诱导的氧化铜纳米线可塑性的研究。相关研究以“Femtosecond laser-induced plasticity in CuO nanowires”为题发表在《Applied Surface Science》上。

金属氧化物纳米线是制造纳米器件（尤其是应变传感器）的理想材料。然而，这些材料的固有脆性限制了其应用。科研人员证明，通过飞秒激光辐照进行二次处理，可以解决这一限制。科研人员的研究表明，氧化铜纳米线在室温下的力学性能可以调节，以减少脆性破坏并增强塑性。科研人员利用透射电子显微镜图像研究了飞秒激光处理诱导塑性的微观机制。在适度的激光辐照强度下，这种处理方法通过产生更高密度的氧空位来诱导氧化铜纳米线的塑性，从而使纳米线的构型从断裂变为弯曲。在弯曲的纳米线中，由于高应变率，空位从弯曲拉伸区迁移到压缩区，导致局部激光诱导氧化铜向缺氧成分相变。飞秒激光诱导的氧空位凝聚为扩散机制的激活铺平了道路，而扩散机制反过来又促进了位错运动，从而导致了亚结构的发展。此外，纳米压痕分析还进一步证明了飞秒加工纳米线具有类似金属的塑性行为。这一结果可用于提高纳米线在未来应用中的性能。

亮点：

1.飞秒激光在氧化铜纳米线中诱导出高密度的氧空位。

2.诱导的空位促进了亚结构和亚晶粒的形成。

3.弯曲过程中空位凝聚形成扩散路径。

4.氧空位形成局部缺氧相。

5.飞秒激光通过产生缺陷增强氧化铜纳米线的可塑性。

图 1：a)飞秒脉冲激光辐照装置示意图；b)所制备纳米线薄膜取向良好、垂直排列的SEM图像；c,d)所制备单晶单斜CuO纳米线的明场TEM 图像，以及相应的SAD图样和EDS分析。

图 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秒激光加工后氧化铜纳米线的扫描电镜图像。

图 3.制备前与飞秒辐照后氧化铜纳米线的XPS分析。

图 4.XRD分析追踪激光加工氧化铜纳米线试样相对于未加工试样的结构变化。

图 5.原始和激光加工过的氧化铜纳米线样品的纳米压痕测试实验装置和结果。

图 6.在120 mJ/cm2的通量下激光照射50秒后弯曲纳米线的TEM表征。

图 7.飞秒激光辐照后CuO纳米线在弯曲过程中颈缩区域内的亚结构演变示意图。

图 8.在 120 mJ/cm2的通量下激光照射50秒后，CuO 纳米线横截面的TEM 表征。

本文对飞秒激光辐照下氧化铜纳米线的结构演变进行了全面分析，强调了增强脆性氧化铜纳米线可塑性的机制。研究表明，飞秒激光可有效地用于氧化铜纳米线机械性能的原位工程。使用优化的激光能量和辐照时间作为加工参数，当样品受到120 mJ/cm2能量的脉冲辐照时，可以观察到从脆性到塑性的明显转变。在这些条件下，单个氧化铜纳米线在机械载荷的作用下保持不断裂，但大部分会弯曲，变得具有延展性。对XPS数据的分析表明，这种行为与氧空位缺陷密度的增加相对应。这表明飞秒激光辐照产生的高密度氧空位在弯曲过程中容纳应变和抑制导致断裂的机制方面起着至关重要的作用。在HRTEM显微照片中可以明显追踪到这一过程，它源于氧空位凝聚产生的扩散机制的激活。它们使原子具有流动性，从而在单晶纳米线的横截面上形成不同的晶粒，从而促进了纳米通道内的位错滑行。研究还发现，辐照氧化铜纳米线的局部区域发生了从氧化铜到缺氧相的相变，从而增强了非弹性响应。通过XRD和HRTEM获得的纳米衍射图样证实了这些纳米线中存在Cu2O相。这些结构改性促进了从脆性断裂模式到更具韧性的类金属行为的转变。这种转变的特点是出现了明显的缩颈现象，证实了辐照样品中材料响应性质的转变。根据屈服压力定律，从纳米压痕测试中获得的H/Py比率在激光加工样品中从未加工脆性氧化铜纳米线的2.2增至3.2，表明从脆性区域过渡到塑性区域。