Pengaruh Anisotropi dan Batas Butir Dalam Bidang pada Film Berlapis Cu/Pd dengan Antarmuka Cube-on-Cube dan Twinned
Abstrak
Dalam bahan kristal, batas butir dan anisotropi struktur kristal mempengaruhi sifat mekaniknya. Efek struktur antarmuka pada sifat mekanik mungkin beragam ketika film multilayer dimuat di sepanjang arah yang berbeda. Dalam karya ini, kami melakukan serangkaian simulasi dinamika molekuler dari ketegangan film berlapis Cu / Pd tunggal dan polikristalin dalam bidang dengan kubus-on-kubus (COC) dan antarmuka kembar untuk mengeksplorasi efek dari struktur antarmuka, arah pemuatan dan batas butir dalam bidang pada sifat mekaniknya. Garis dislokasi ketidakcocokan antarmuka menjadi bengkok setelah relaksasi, dan suhu tinggi 300 K ditemukan sebagai kondisi yang diperlukan. Saat diregangkan sepanjang arah 110〉, efek penguatan antarmuka COC lebih terlihat; namun, ketika diregangkan sepanjang arah 112〉, efek penguatan antarmuka kembar lebih terlihat, menunjukkan efek anisotropik struktur antarmuka pada sifat mekanik. Namun, dalam sampel polikristalin sarang lebah dalam pesawat, antarmuka kembar menunjukkan efek penguatan yang nyata, dan tidak ada dislokasi yang terlihat.
Pengantar
Film berstrukturnano metallic multilayered (NMM) telah menarik banyak perhatian karena sifat mekaniknya yang sangat baik [1,2,3], yang biasanya lebih unggul dari konstituennya. Antarmuka, zona transisi antara lapisan individu yang berbeda, adalah salah satu cacat planar yang paling umum dalam film NMM, yang dapat bertindak sebagai sumber dan tenggelam cacat melalui penyerapan dan pemusnahan, penghalang dan situs penyimpanan untuk cacat [4,5,6,7 ].
Antarmuka dalam film NMM dapat dibagi menjadi antarmuka yang koheren, semi-koheren dan non-koheren berdasarkan ketidakcocokan kisi antara konstituennya di kedua sisi antarmuka [4]. Lapisan berlapis tembaga-paladium (Cu/Pd) dan emas-nikel (Au/Ni) adalah film berlapis-lapis yang paling awal ditemukan yang memiliki sifat mekanik yang sangat baik[8]. Yang dkk. mengukur modulus elastisitas biaksial Y[111] dari film berlapis-lapis Cu/Pd dan Au/Ni dengan pengujian tonjolan dan menemukan modulus elastisitas biaksial mereka meningkat secara drastis dari 0,27 menjadi 1,31 TPa dan dari 0,21 menjadi 0,46 TPa, masing-masing [8]. Selanjutnya, Davis dkk. menggunakan teknik yang lebih maju untuk mengukur sifat elastis dan struktural film berlapis Cu/Pd dan Cu/Ni dengan tekstur pertumbuhan dan amplitudo modulasi komposisi yang sama [9, 10]. Namun, tidak ada perilaku elastis anomali yang signifikan telah diamati [9, 10], yang menimbulkan apakah efek supermodulus ada di multilayers Cu/Pd. Sifat mekanik NMM sangat tergantung pada struktur antarmuka antara lapisan individu yang berdekatan [11]. Howe dkk. menyelidiki struktur antarmuka film Pd pada Cu (111) dan menemukan bahwa Pd tumbuh dalam struktur FCC kembar sepanjang arah 111〉 [12]. Struktur kembaran pada antarmuka biasanya memiliki efek mendalam pada kekuatannya [11].
Weng dkk. menyelidiki pengaruh struktur antarmuka pada perilaku deformasi film berlapis Cu/Ni dengan antarmuka kembar koheren, semi-koheren dan koheren menggunakan simulasi dinamika molekul (MD) dan menemukan bahwa antarmuka kembar koheren menunjukkan penguatan yang signifikan [7]. Namun, dalam pekerjaan kami baru-baru ini, efek penguatan yang tidak terlihat dari antarmuka kembar dalam film berlapis-lapis Cu/Pd diamati di bawah tegangan sepanjang arah 110〉 [13]. Selain itu, bentuk jaringan dislokasi yang tidak sesuai akan berubah selama minimalisasi dan relaksasi energi. Shao dkk. menyelidiki mekanisme relaksasi antarmuka dan evolusi jaringan dislokasi antarmuka dalam film berlapis-lapis Cu/Ni dengan simulasi MD [14,15,16,17]. Arah pembebanan karya ini seringkali tegak lurus dengan antarmuka, disebut sebagai out-of-plane [7, 18, 19]. Namun, antarmuka dapat memainkan peran yang berbeda selama pemuatan di sepanjang arah yang berbeda karena anisotropi sifat mekanik kristal [20,21,22,23].
Selain itu, film berlapis-lapis lebih cenderung mengalami beban paralel dengan antarmuka dalam praktiknya, yang disebut sebagai pembebanan dalam bidang. Zhou dkk. mengusulkan mekanisme penguatan yang diatur oleh beberapa dislokasi joging diperpanjang seperti kalung dalam logam nano-kembar berbutir kolumnar yang mengalami tekanan eksternal yang sejajar dengan bidang kembar [20], yang juga diamati pada multilayer Cu / Ni [21]. Dislokasi joged ini jarang ditemukan dalam simulasi di bawah pembebanan di luar bidang [7, 18, 19, 24]. Dalam simulasi MD yang tersedia untuk tegangan dalam bidang, sampel biasanya diregangkan sepanjang arah tertentu, yaitu arah 112〉 atau 110〉 [25]. Namun, beberapa studi perbandingan di bawah ketegangan di sepanjang dua arah ini telah dilakukan. Di sisi lain, lapisan individu dari film berlapis-lapis yang disiapkan oleh eksperimen biasanya polikristalin dalam bidang yang mengandung banyak batas butir (GB) yang tegak lurus dengan antarmuka.
Dislokasi joged yang disebutkan di atas sering diamati dalam film berpintal koheren atau film berlapis ganda yang dipilin dengan ketidakcocokan kecil. Apakah dislokasi jog ini dapat terbentuk dalam film antarmuka kembar dengan ketidakcocokan yang tinggi masih belum diketahui. Film berlapis-lapis Cu/Pd adalah film berlapis-lapis yang paling awal ditemukan yang memiliki sifat mekanik yang sangat baik [8, 12, 26,27,28]. Ketidakcocokan kisinya (~ 7.07%) lebih besar dari film berlapis-lapis Cu/Ni (~ 2.7%). Oleh karena itu, mekanisme penguatan dan pelemahan [7, 14,15,16,17] yang diperoleh film berlapis Cu/Ni tidak dapat diterapkan pada film berlapis banyak Cu/Pd. Dua antarmuka umum [3], antarmuka kembar dan kubus-pada-kubus, diamati dalam film berlapis-lapis Cu/Pd dengan karakterisasi eksperimental [12]. Memahami efek struktur antarmuka pada sifat mekanik film berlapis-lapis akan menjadi signifikan untuk merancang film berlapis-nano berkinerja tinggi dengan ketidakcocokan kisi yang besar.
Dalam karya ini, dua jenis sampel dengan kristal sarang lebah dalam pesawat dan kristal tunggal dikembangkan. Untuk setiap jenis sampel, dua jenis antarmuka (kubus-pada-kubus dan kembaran) dipertimbangkan. Kemudian kami melakukan serangkaian simulasi tegangan MD dari film berlapis-lapis Cu/Pd ini untuk mengeksplorasi efek struktur antarmuka, arah pemuatan, dan GB dalam bidang pada sifat mekaniknya.
Metode
Tiga set parameter untuk Cu–Cu, Pd–Pd, dan Cu–Pd masing-masing perlu diidentifikasi. Kami memilih metode atom tertanam yang dimodifikasi tetangga terdekat kedua (2NN MEAM) potensial [29, 30] untuk menggambarkan interaksi antar atom. Untuk Cu–Cu dan Pd–Pd, parameter potensialnya telah dikembangkan oleh Lee et al. [31]. Berdasarkan parameter potensial elemen tunggal, kami memasang satu set parameter potensial biner Cu–Pd dalam pekerjaan kami sebelumnya [26], seperti yang tercantum pada Tabel 1. Parameter ini dapat mereproduksi sifat fisik dan mekanik dasar Cu, Pd dan paduan mereka dan menjelaskan mekanisme pembentukan kembar pertumbuhan [26].
Film berlapis-lapis FCC/FCC cenderung tumbuh di sepanjang arah 111〉 dan hubungan orientasi antarmuka diidentifikasi sebagai {111}FCC /{111}FCC [32, 33]. Oleh karena itu, kami hanya mempertimbangkan antarmuka Cu{111}/Pd{111} dalam pekerjaan ini. Dua jenis sampel dengan kristal tunggal dalam bidang (SC) dan kristal sarang lebah (HC) dibangun, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1a dan b. Untuk setiap jenis sampel, kubus-di-kubus (COC) dan antarmuka kembar dipertimbangkan. Oleh karena itu, dibangun empat sampel yang diberi nama SC COC, SC Twin, HC COC dan HC Twin. Untuk SC COC, orientasi kristal dari lapisan Cu dan lapisan Pd adalah identik; namun, untuk SC Twin, orientasi kristalnya simetris terhadap antarmuka kembar, seperti yang ditunjukkan pada sisipan Gambar 1a. Hubungan orientasi dan dimensi masing-masing arah tercantum pada Tabel 2.
Model atom dengan a . dalam bidang kristal tunggal dan b kristal sarang lebah. c Hubungan orientasi setiap butir mengenai kristal tunggal. Sisipan dari Gbr. 1a adalah distribusi atomik antarmuka COC dan Twin, di mana garis merah mewakili kembar
Sampel sarang lebah dalam bidang dibuat menggunakan metode konstruksi Voronoi dengan kristal tunggal dalam bidang sebagai unit perwakilan, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1b. Dalam sampel HC, ada empat butir, yang hubungan orientasinya mengenai kristal tunggal (Gbr. 1a) adalah rotasi berlawanan arah jarum jam sebesar 25°, 55°, 85° dan 0° di sekitar z -sumbu, masing-masing. Ukuran HC COC dan HC Twin tercantum pada Tabel 2.
Minimisasi energi pertama-tama digunakan untuk mengoptimalkan struktur antarmuka pada 0 K. Kemudian, relaksasi dilakukan pada setiap sampel di bawah ansambel isotermal-isobarik (NPT) [34, 35] pada 300 K selama 20 ps untuk mencapai sistem kesetimbangan dengan tekanan nol di x -, y - dan z - petunjuk arah. Simulasi tegangan uniaksial SC COC dan SC Twin di sepanjang arah yang berbeda (x - atau y -) dengan laju regangan 5 × 10
8
s
−1
dilakukan dengan Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator (LAMMPS) [36]. Kami juga melakukan simulasi tarik HC COC dan HC Twin untuk mempelajari efek GB dalam bidang dan struktur antarmuka pada sifat mekaniknya. Selama pembebanan, tekanan di dua arah lainnya dijaga pada nol untuk memenuhi persyaratan deformasi tarik uniaksial. Dalam semua simulasi, kondisi batas periodik diterapkan di sepanjang x- , y- dan z -arah.
Kami memilih algoritma ekstraksi dislokasi (DXA) [37] untuk menganalisis struktur lokal, menggunakan atom yang dapat dibagi menjadi berbagai jenis (FCC, BCC, HCP, dll) berdasarkan struktur lokal mereka. Ini dapat mengidentifikasi dislokasi umum dalam kristal FCC dan menentukan vektor Burgers dan garis dislokasi keluarannya [37]. Atom-atom diwarnai dengan aturan berikut:hijau untuk FCC, merah untuk HCP, biru untuk BCC dan putih untuk struktur kristal lokal "lainnya". Diketahui bahwa kedua sesar susun (SF) dan batas/antarmuka kembar (TB/TI) diidentifikasi sebagai struktur HCP, dan dua lapisan atom merah yang berdekatan dan lapisan atom merah tunggal masing-masing adalah SF dan TB/TI. Perangkat lunak visualisasi open-source, OVITO [38], digunakan untuk memvisualisasikan evolusi mikrostruktur.
Hasil dan Diskusi
Karakterisasi struktur antarmuka
Gambar 2 menunjukkan konfigurasi atom antarmuka di SC COC dan SC Twin setelah minimalisasi dan relaksasi energi, di mana atom yang diidentifikasi sebagai FCC telah dihilangkan untuk kejelasan. Dari Gambar 2, kita dapat melihat bahwa jaringan dislokasi ketidakcocokan antarmuka berbentuk segitiga dalam periodisitas, yang konsisten dengan yang ada pada film berlapis Ag(111)/Ni(111) [39]. Perbedaannya adalah antarmuka di SC COC terdiri dari daerah koheren (CR) dan daerah SF yang bergantian. Sebaliknya, antarmuka di SC Twin seluruhnya terdiri dari TB. TB ini berada pada lapisan atom yang berdekatan dan terdiri dari atom Cu dan Pd bergantian dalam segitiga yang berdekatan, yang juga dapat dikonfirmasi oleh ketinggian dua garis merah solid (mewakili TB) di sisipan Gambar 1a. Selama minimisasi energi, energi potensial sistem diminimalkan dengan sedikit pergerakan atom, dan ukuran sampel di setiap arah tidak dapat berubah secara bebas. Pada tahap ini terutama untuk mengoptimalkan struktur lokal, khususnya struktur antarmuka. Oleh karena itu, garis dislokasi tetap lurus setelah minimisasi energi, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2a dan b. Selama minimisasi energi, ukuran sampel tetap, yang akan menginduksi tegangan sisa ke segala arah. Tegangan sisa ini tidak dapat dilepaskan secara memadai setelah minimisasi energi.
Konfigurasi atom antarmuka setelah minimisasi energi:a SC COC, b SC Twin, dan setelah relaksasi:c SC COC, d SC kembar. Bola atom besar dan kecil masing-masing mewakili Pd dan Cu. Atom yang diidentifikasi sebagai FCC telah dihilangkan untuk kejelasan
Selama relaksasi, ukuran sampel memungkinkan perubahan untuk mengendurkan tegangan sisa menjadi tekanan nol ke segala arah. Setelah relaksasi, garis dislokasi yang tidak sesuai menjadi bengkok (Gbr. 2c, d). Fenomena jaringan dislokasi yang tidak sesuai ini juga dapat ditemukan pada antarmuka semi-koheren Cu{111}/Ni{111} [40, 41]. Dengan membandingkan jumlah atom dengan struktur lokal yang berbeda, terutama HCP, kita dapat menemukan bahwa jumlah atom dalam struktur kisi yang berbeda berubah secara tidak signifikan, menunjukkan bahwa luas total SF dan TB bervariasi secara tidak signifikan.
Untuk menyelidiki apakah suhu merupakan kondisi yang diperlukan untuk pembengkokan garis dislokasi, sampel setelah diminimalkan direlaksasi pada suhu rendah 10 K untuk perbandingan dan menemukan bahwa garis dislokasi tetap lurus. Oleh karena itu, suhu yang lebih tinggi merupakan kondisi yang diperlukan untuk menyebabkan pembengkokan garis dislokasi. Secara khusus, karena peningkatan aktivasi termal pada suhu tinggi, atom di sekitar garis dislokasi dapat membalikkan penghalang energi untuk berpindah dari satu kolom atom ke kolom atom padat yang berdekatan. Oleh karena itu, besar lentur dislokasi hanya satu sampai dua jarak lapisan atom. Pembengkokan serupa dari garis dislokasi dalam jaringan dislokasi juga dapat diamati pada sampel dengan kristal sarang lebah dalam bidang (HC COC dan HC Twin).
Efek arah pemuatan
Gambar 3 menunjukkan tegangan–regangan (σ -ε ) kurva SC COC dan SC Twin di bawah tegangan sepanjang arah yang berbeda pada laju regangan 5 × 10
8
s
−1
, di mana orang dapat melihat bahwa semua kurva ini tumbuh secara linier ke titik tertinggi, kemudian turun dengan cepat ke nilai tertentu dan berfluktuasi di sekitarnya. Modulus young E diperoleh dengan menyesuaikan kemiringan kurva dalam rentang regangan 0,00-0,03, seperti yang tercantum dalam Tabel 3. Kita dapat melihat bahwa E sepanjang y \([\overline{2}11]\) (145,62 GPa untuk SC COC dan 142,95 untuk SC Twin) lebih besar daripada yang ada di sepanjang x \([01\overline{1}]\) (135,04 IPK untuk COC dan 133,84 IPK untuk Kembar). E s sepanjang arah yang sama tetapi dengan struktur antarmuka yang berbeda hampir identik, menunjukkan ketergantungan yang tidak signifikan dari E s pada struktur antarmuka yang terlibat dalam pekerjaan ini, yang konsisten dengan hasil eksperimen film berlapis Cu-Co [42], Cu/Pd dan Cu/Ni [9].
σ -ε kurva sampel di bawah tegangan pada laju regangan 5 × 10
8
s
−1
. SC COC dan SC Twin di sepanjang ax \([01\overline{1}]\) dan by \([\overline{2}11]\) arah. c HC COC dan HC Twin di sepanjang x- sumbu
Dalam bahan kubik, modulus elastisitas sepanjang orientasi apapun dapat ditentukan dari konstanta elastis dengan penerapan persamaan berikut [22]:
dimana S11 , S12, dan S44 adalah konstanta kepatuhan elastis; Eijk adalah modulus Young dalam [ijk ] arah; li1 , lj2 dan lk3 adalah kosinus dari arah [ijk ]. Namun, koefisien tentang arah kristal \(\left( {l_{i1}^{2} l_{j2}^{2} + l_{j2}^{2} l_{k3}^{2} + l_{ i1}^{2} l_{k3}^{2} } \right)\) dalam Persamaan. (1) sepanjang arah 112〉 dan 110〉 identik (0,25), oleh karena itu, untuk Cu dan Pd, E〈112〉 = E〈110〉 . Ketika deformasi sejajar dengan antarmuka, aturan pencampuran, \(E_{[ijk]}^{{\text{Cu/Pd}}} =E_{[ijk]}^{{{\text{Cu}} }} f_{{{\text{Cu}}}} + E_{[ijk]}^{{{\text{Pd}}}} f_{{{\text{Pd}}}}\), dapat digunakan untuk menghitung E . fCu dan fPd adalah fraksi volume Cu dan Pd masing-masing, dan fCu + fPd = 1. Dalam karya ini, fCu dan fPd invarian untuk sampel dengan antarmuka yang berbeda. Oleh karena itu, \(E_{{\left\langle {112} \right\rangle }}^{{\text{Cu/Pd}}}\) harus sama dengan \(E_{{\left\langle {110} \right\rangle }}^{{\text{Cu/Pd}}}\). Namun, E s sepanjang 110〉 dan 112〉 berbeda, yang seharusnya dikaitkan dengan anisotropi elastis dari zona yang terpengaruh antarmuka [6, 42].
Tegangan maksimum (σm ) diperoleh dengan tegangan sepanjang y -sumbu lebih besar dari itu sepanjang x -sumbu untuk antarmuka COC dan Twin, yang harus dianggap berasal dari faktor Schmidt μ . σm kurva sesuai dengan nukleasi dislokasi [43,44,45]. μ = cosφ karenaλ , di mana φ dan λ adalah sudut antara arah tarik dan arah normal bidang gelincir dan sudut antara arah tarik dan arah gelincir. Terlebih lagi, saat ketegangan terjadi x \([01\overline{1}]\), σm dan regangan yang sesuai εm SC COC sedikit lebih tinggi dari SC Twin, yang konsisten dengan pekerjaan oleh Weng et al. [25]. Namun, saat ketegangan terjadi y \([\overline{2}11]\), σm dan εm SC COC sedikit lebih rendah dari SC Twin. Kami selanjutnya melakukan simulasi MD tambahan pada laju regangan yang lebih rendah sebesar 1 × 10
8
s
−1
dan diperoleh hasil yang serupa. Namun, secara keseluruhan, perbedaan di antara keduanya sedikit dan hampir dapat diabaikan.
Setelah tegangan mencapai titik tertinggi, banyak dislokasi bernukleasi secara berurutan untuk melepaskan energi potensial elastis yang tersimpan, menyebabkan penurunan tegangan yang cepat [46]. Interaksi antara dislokasi, interaksi antara dislokasi dan antarmuka, dan nukleasi dislokasi baru adalah mekanisme utama pada tahap tegangan aliran. σf adalah tegangan rata-rata dalam 0,121 < ε < 0.150, seperti yang tercantum dalam Tabel 3. Tidak seperti perbedaan kecil di E , σm dan εm , perbedaan antara σf untuk struktur antarmuka yang berbeda adalah signifikan. Saat ketegangan berjalan x \([01\overline{1}]\), σf SC COC lebih besar dari SC Twin, menunjukkan efek penguatan antarmuka COC lebih jelas daripada antarmuka Twin, yang konsisten dengan pekerjaan oleh Weng et al. [25]. Namun, saat ketegangan terjadi y \([\overline{2}11]\), σf SC Twin adalah 15,55% lebih besar dari SC COC, menunjukkan penguatan yang jelas dari antarmuka kembar, yang sesuai dengan kognisi tradisional efek penguatan batas kembar. Perbandingan tegangan aliran pada dua arah ini menunjukkan bahwa efek penguatan struktur antarmuka tergantung pada arah pembebanan. Di bagian yang mengalir, kita akan memeriksa respons mekanis sampel kristal sarang lebah dalam pesawat.
Efek GB dalam pesawat
Kami selanjutnya melakukan simulasi tegangan MD dari HC COC dan HC Twin pada laju regangan 5 × 10
8
s
−1
, dan σ -ε kurva ditunjukkan pada Gambar. 3c. Demikian pula, kita bisa mendapatkan E , σm , εm , dan σf , seperti yang tercantum dalam Tabel 3. Perhatikan bahwa E diperoleh dengan menyesuaikan kemiringan σ -ε kurva HC COC dan HC Twin dalam rentang regangan 0,0–0,02, dan σf adalah tekanan rata-rata dalam 0,081 < ε < 0,100. Untuk HC COC dan HC Twin, E s dekat dan terletak di antara sampel SC sepanjang x \([01\overline{1}]\) dan y \([\overline{2}11]\). E s sedikit lebih besar daripada percobaan (115-125 GPa) [9], yang harus dianggap berasal dari sampel atom ideal yang digunakan dalam pekerjaan ini tanpa mengambil cacat tambahan seperti kekosongan dan kotoran. σ . mereka m lebih rendah daripada sampel SC, yang dapat dianggap bahwa dislokasi lebih mudah untuk diinduksi yang disebabkan oleh konsentrasi tegangan lokal dengan pengenalan GB dalam bidang. Mengambil antarmuka kembar sebagai contoh, Gambar. 4 menunjukkan struktur mikro dari lokasi nukleasi dislokasi setelah tegangan mencapai titik tertinggi, di mana orang dapat melihat bahwa di HC Twin, dislokasi nukleasi dari persimpangan antarmuka GB dan kembar (Gbr. . 4a), sementara dalam sampel SC Twin, dislokasi nukleasi dari antarmuka kembar keduanya membentang sepanjang x \([01\overline{1}]\)(Gbr. 4b) dan y \([\overline{2}11]\) (Gbr. 4c).
Struktur mikro lokasi nukleasi dislokasi setelah tegangan mencapai titik tertinggi. a HC Twin, SC Twin di bawah tekanan di sepanjang bx \([01\overline{1}]\), cy \([\overline{2}11]\)
Meskipun σm sampel HC lebih rendah daripada sampel SC, σf sampel HC lebih tinggi dari sampel SC, menunjukkan efek penguatan GB dalam pesawat. Penguatan ini terutama berasal dari aspek-aspek berikut:(1) GB dalam bidang memberikan lebih banyak titik nukleasi untuk dislokasi yang menghasilkan lebih banyak dislokasi yang berinti, dan dislokasi ini dihalangi oleh antarmuka COC dan Twin; (2) GB dalam bidang menghalangi dislokasi. Selain itu, σf HC Twin lebih tinggi daripada HC COC, yang menunjukkan bahwa efek penguatan dislokasi yang dihalangi oleh antarmuka kembar lebih jelas dibandingkan dengan antarmuka COC.
Gambar 5 menunjukkan struktur mikro HC Twin pada tahap aliran plastis. Perlu dicatat bahwa selama pembebanan, nukleasi dan slip dislokasi parsial membentuk SF, pergerakan dislokasi dan SF ini dibatasi oleh antarmuka yang menginduksi luncuran dislokasi parsial seperti jepit rambut dan reaksi timbal balik dislokasi parsial yang membentuk dislokasi batang tangga adalah mekanisme deformasi utama. Tidak ada dislokasi joged multipel seperti kalung yang diamati, yang sering diamati pada film berlapis-lapis Cu/Ni [21] dan Cu [20] kembar-nano di bawah tegangan dalam bidang. Hal ini terutama disebabkan oleh ketidakcocokan kisi yang besar dari film berlapis-lapis Cu/Pd dengan struktur antarmuka yang lebih rumit (Gbr. 2).
Struktur mikro HC Twin pada tahap aliran plastik
Dibandingkan dengan bahan kristal tunggal, sifat mekanik sampel polikristalin seringkali lebih bergantung pada laju regangan. Oleh karena itu, kami melakukan lebih banyak simulasi tegangan MD untuk sampel HC (HC COC dan HC Twin) di sepanjang x -direction dan SC Twin di sepanjang x- dan y -arah menggunakan laju regangan bervariasi dari 5 × 10
7
s
−1
hingga 5 × 10
9
s
−1
. σ -ε kurva ditunjukkan pada Gambar. 6a dan b, di mana orang dapat melihat bahwa tegangan meningkat secara linier ke titik tertinggi dan kemudian menurun. Untuk sampel HC, tegangan berfluktuasi dengan peningkatan regangan pada laju regangan rendah pada tahap menurun, sedangkan fluktuasi tegangan tidak terlihat pada laju regangan tinggi (Gbr. 6a dan b). Gambar 6c dan d menunjukkan variasi σm dan σf terhadap laju regangan, di mana σm dan σf meningkat dengan meningkatnya laju regangan. σm SC Twin sepanjang y -arah jauh lebih besar daripada sampel lain, yang harus dianggap berasal dari faktor Schmidt yang disebutkan di atas. Namun, karena efek penguatan batas butir dalam bidang, σf sampel HC dekat dengan SC Twin sepanjang y arah. Selain itu, σf sampel dengan antarmuka kembar lebih tinggi daripada sampel dengan antarmuka COC pada laju regangan tinggi (1 × 10
8
s
−1
hingga 5 × 10
9
s
−1
), menunjukkan efek penguatan dari antarmuka kembar, tetapi dengan meningkatnya laju regangan, efek penguatan ini melemah. Perlu dicatat bahwa pada laju regangan 5 × 10
7
s
−1
, σf HC Twin lebih rendah daripada HC COC, yang dapat dianggap berasal dari fakta bahwa jumlah dislokasi yang berinti pada laju regangan rendah kurang menginduksi efek penguatan yang melemah dari antarmuka kembar.
aσ -ε kurva sampel HC di bawah tegangan sepanjang x- arah pada laju regangan yang berbeda, bσ -ε kurva SC Twin di bawah tegangan sepanjang x- dan y- arah pada tingkat regangan yang berbeda. c-d Variasi σm dan σf terhadap laju regangan
Kesimpulan
Dalam karya ini, simulasi ketegangan dinamika molekuler film berlapis Cu / Pd tunggal dan polikristalin dalam pesawat dengan COC dan antarmuka kembar dilakukan di sepanjang berbagai arah untuk mengeksplorasi efek dari struktur antarmuka, arah pemuatan, dan batas butir dalam bidang pada mekanik properti. Kami menemukan bahwa dislokasi ketidakcocokan antarmuka menghadirkan struktur jaringan segitiga, dan garis dislokasi ketidakcocokan menekuk setelah relaksasi. Suhu tinggi 300 K adalah kondisi yang diperlukan untuk menekuk garis dislokasi. Modulus elastisitas sampel tidak memiliki ketergantungan yang jelas pada struktur antarmuka, tetapi terkait dengan arah pembebanan. Efek penguatan antarmuka COC terlihat saat diregangkan sepanjang arah 110〉; namun, efek penguatan antarmuka kembar terlihat, ketika diregangkan sepanjang arah 112〉, menunjukkan efek anisotropik struktur antarmuka pada sifat mekanik. Terakhir, dalam model polikristalin sarang lebah dalam pesawat, antarmuka kembar menunjukkan efek penguatan yang nyata, dan tidak ada dislokasi yang terlihat.
Ketersediaan data dan materi
Kumpulan data yang digunakan atau dianalisis selama studi saat ini tersedia dari penulis terkait atas permintaan yang wajar.
Singkatan
Cu:
Tembaga
Pd:
Paladium
Ni:
Nikel
Ag:
Perak
COC:
Kubus-di-kubus
NMM:
Metalik berstrukturnano berlapis-lapis
ID:
Batas butir
MD:
Dinamika molekuler
2NN MEAM:
Metode atom tertanam yang dimodifikasi tetangga terdekat kedua
FCC:
Kubus berpusat muka
BCC:
Kubus berpusat pada tubuh
HCP:
Heksagonal padat
SC:
Kristal tunggal
HC:
Kristal sarang lebah
LAMMPS:
Simulator Paralel Besar-besaran Atom/Molekul Skala Besar
