Atomistic and crystallographic phenomena during nanograin island shrinkage

Abstract

Међуповршине, односно границе зрна, имају кључну улогу у дефинисању јединствених својстава металних материјала са нанокристалном као и микроструктуром ултрафиних зрна. Услед ефекта мале величине, атомска структура и покретљивост граница зрна одређују стабилност нанокристалне микроструктуре. У овом прилогу је дат приказ феномена који се односе на механизам и кинетику миграције граница зрна у танким филмовима злата под утицајем капиларних сила. Контракција циркуларних нанозрна у танким филмовима тзв. мазед бикристалне морфологије – поликристалне структуре у којој су присутне само две оријентације зрна – на повишеним температурама карактеризована је in situ електронском микроскопијом, конвенционалном и високе резолуције. Карактеризација је указала да је висок степен анизотропије својствен нанозрнима, односно изражена склоност ка образовању пљосни (фацета) на одређеним типовима кристалографских равни са ниским Милеровим индексима. Утврђено је да механизам миграције пљосни укључује колективно кретање атома, односно, регруписање атома са померајима мањим од параметра кристалне решетке, клизање и миграцију степеница. In situ микроскопија високе резолуције је показала да је миграција контролисана нуклеацијом и пропагацијом степеница и дисконекција, тј. дефеката који поред компоненте степенице имају и дислокациону компоненту, како латерално тако и у правцу перпендикуларном на површину филма. Непостојна кинетика контакције је у сагласности са механизмом миграције контролисаним нуклеацијом степеница. Детаљна анализа дефеката на међуповршинама показала је присуство степеница различитих висина и дислокационог садржаја. Висина степенице/дисконекције ограничава њену мобилност у {110} филмовима, док такав утицај није запажен у {111} филмовима. У току контракције није примећена ротација зрна.

Nanocrystalline and ultrafine-grained metallic materials are considered to be interface-controlled as key factors in determining their unique properties are associated with grain boundaries. Due to the small size effect, atomic structure and mobility of grain boundaries have an important influence on the stability of a nanocrystalline structure. In this contribution, the phenomena related to the mechanism and kinetics of capillary driven grain boundary migration in thin Au films are reviewed. The shrinking of island grains in {110} and {111} mazed bicrystal thin films at elevated temperatures was observed by conventional and high-resolution in situ electron microscopy. Measurements of grain boundary anisotropy showed the preference for low index facets. Observed migration mechanisms of the facets involve collective motion of the atoms such as regrouping by atomic shuffles, glide and step migration. In situ HREM revealed that the facet migration is controlled by the nucleation and propagation of the steps/disconnections - by lateral motion as well as the propagation of buried steps perpendicular to the film surface. The erratic kinetic of grain shrinkage is consistent with migration mechanisms controlled by the step nucleation. Detailed analysis of the interfacial defects showed a range of step heights and dislocation contents. The step height limits the mobility of steps/disconnections in {110} films, while no such influence was observed in {111} films. There was no measurable grain rotation during the grain shrinkage.