Mechanical deformation, twinning, and crystallization in engineered micro and nanostructured materials

Mechanische eigenschappen van Antimony op kleine schaal

Antimony (Sb) heeft een unieke rhombohedrale kristalstructuur, die sterke covalente bindingen combineert met zwakkere van der Waals-interacties en een uitgesproken Peierls-distortie vertoont. Dit geeft het uitstekende elektronische, optische en structurele eigenschappen, waardoor het ideaal is voor faseveranderingsgeheugen en micro-elektronica. De mechanische eigenschappen op kleine schalen zijn echter grotendeels onverkend. In zijn proefschrift onderzoekt Hui Wang de mechanische prestaties en vervormingsmechanismen van Sb- en GaSb-gebaseerde materialen, die zijn vervaardigd met behulp van pulsed-laserdepositie (PLD), in bulk-, dunne film- en nanolaminaatvormen.

Allereerst onderzoekt Wang enkelkristallijn Sb via micropilaarcompressie, waarbij verschillende koelsnelheden worden toegepast (oven, lucht, water, vloeibare stikstof). Snellere koelsnelheden verfijnen de korrelgrootte en verhogen de dichtheid van rhombohedrale tweelingen. Atomaire resolutieanalyse identificeert een specifiek twinsysteem (1–104)[–2201]. Wang toont aan dat de vervormingssterkte van Sb sterk afhangt van zowel de kristaloriëntatie als de tweelingactiviteit. 

Vervolgens analyseert Wang Sb-dunne films met behulp van nano-indentatie en elektronenmicroscopie. De resultaten tonen aan dat PLD-gecontroleerde kolomvormige korrels en tweelingen onder de indentaties de hardheid van het materiaal verbeteren zonder afbladdering te veroorzaken. In GaSb-films leiden verschillende annealingprocessen tot kristallisatie en de vorming van twin- en Lomer-Cottrell-sloten, wat de hardheid en de modulus verhoogt, maar de breuktaaiheid verlaagt—wat de cruciale afweging tussen plasticiteit en taaiheid voor de betrouwbaarheid van faseveranderingsapparaten illustreert. 

Ten slotte onderzoekt Wang GaSb–Al₂O₃-nanolaminaatlagen, waarbij blijkt dat het verminderen van de bilagendikte en het optimaliseren van het annealen leidt tot verbeterde hardheid en taaiheid via Hall–Petch-versterking en complexe dislocatiedynamica. Al met al toont dit werk aan hoe PLD-geengineerde microstructuren de mechanische eigenschappen van Sb-gebaseerde materialen kunnen optimaliseren voor next-generation micro-elektronica.

Hui Wang voerde zijn onderzoek uit bij het Zernike Institute for Advanced Materials, afdeling Nanostructured Materials and Interfaces, met financiering van het Chinese Scholarship Council. 

Proefschrift: https://hdl.handle.net/11370/dfa0694f-c049-4aca-a829-8cc9526a1cbf