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中山大学：全硅基Mn5Si3@SiO2纳米电缆的力特性研究

纳米线的柔性、自支撑特性及一维电子、光子、声子等能量传导功能使其在微纳器件领域富有前景；作为目前半导体产业的基石，硅基材料的纳米线结构与先进物性研究尤为重要。单质硅纳米线的生长理论、制备、物性及器件研究在过去二十多年间取得了较大进展；然而，源于制备方面的困难，硅基化合化物纳米线的研究仍不充分。得益于对硅基材料多年的研究积累，中山大学王成新教授、孙勇副教授团队前期成功制备高质量、超长Mn5Si3@SiO2纳米电缆，并报道了作为柔性纳米互连导线用于极端恶劣环境的优势（Nat. Commun. 2020, 11, 647）。从纳米线柔性器件角度，力特性是一个避不开的核心课题。比如，不论作为柔性传导还是功能组元，需要具备可观的大应变耐受能力，同时不会导致性能退化。在不同的应用环境中，对纳米线材料的力学特性要求往往是不一样的。因此，使纳米线结构具有特殊的力学性质将具有重要意义。近期，基于原子力显微镜，扫描电子显微镜，高分辨透射电子显微镜等设备，合理地设计原位、半原位实验，该团队进一步地系统研究了Mn5Si3@SiO2纳米电缆可调控的力学行为（弹性，粘弹性，塑性； 图1），并从晶格尺度揭示了相应的微观机制（弹性核与塑性壳之间的协同与竞争关系）。

图1. （a）Mn5Si3@SiO2纳米线SEM及TEM表征；（b）可调控力学行为示意图

得益于SiO2壳和Mn5Si3核具有匹配的杨氏模量与厚度关系，同时以过渡界面紧密结合，二者在纳米线弯曲和单轴拉伸过程中产生力学上的协同效应，表现出非线性的弹性行为（图2a），并可承载较大的弯曲应变（~13.75%，而后脆断）。考虑到非晶态纳米SiO2中Si-O键在获得能量后可断裂并键合重组，进而产生局部塑性，实验采用应变条件下电子束辐照的方式提供能量输入并诱导Si-O 键Bonding switching行为的发生，通过改变加速电压与束流密度，不仅实现纳米线从一般弹性（Elasticity，图2b）到粘弹性（Viscoelasticity， 图2c）的转变，在大束流密度和大应变条件下可实现整根纳米线的塑性行为（图2b和图2e）。原位高分辨透射电镜表征显示，脆性的Mn5Si3核在此过程中并未发生断裂或产生可观测到的Nanocracks，而是在SiO2包层的紧密束缚下发生了复杂的位错运动从而消化了内应力（图2f）。这些结果说明，致密包覆的纳米氧化硅不仅使某些弹性、脆性材料具备可调控的力学行为，同时可显著改变材料在应变条件下的晶格动力学，该机制经实验评估可推广到其它特定的材料体系当中。

图2. （a）三点弯曲法力曲线测试；（b）弱电子束与强电子束辐照下两种弯曲行为：弹性和塑性；（c）中等束流密度下的粘弹性行为；（d）粘弹性额微观机制 ；（e-f）应变条件下辐照诱导塑性形变及构建的纳米线几何形状；（f）塑性发生过程中Mn5Si3晶格的演变图像。

该工作表明，Mn5Si3@SiO2结构不仅具有优异的理化稳定性及电学特性，同时展现出可调控的力学行为，大大拓展了硅基纳米线材料的应用前景。相关研究以“Tunable Mechanics and Micro-mechanism in Close-knit Silicide-in-SiO2 Core-Sell Nanowires”为题发表在ACS旗下期刊Nano Letters上。孙勇副教授为论文的第一作者，硕士研究生林梓恒为第二作者，王成新教授为通讯作者。中山大学材料科学与工程学院为论文唯一完成单位。该研究工作受到国家自然科学基金、广东省自然科学基金，光电材料与技术国家重点实验室的大力支持。

论文链接：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.2c03498

文章来源：中山大学

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