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Synthesis of Heterostructured Metallic Films with Precisely Defined Multimodal Microstructures
ACS Applied Materials & Interfaces ( IF 8.3 ) Pub Date : 2021-09-16 , DOI: 10.1021/acsami.1c10999
Rohit Berlia 1 , Jagannathan Rajagopalan 1
ACS Applied Materials & Interfaces ( IF 8.3 ) Pub Date : 2021-09-16 , DOI: 10.1021/acsami.1c10999
Rohit Berlia 1 , Jagannathan Rajagopalan 1
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Heterostructured materials (e.g., metals with multimodal microstructures) offer the promise of unprecedented functionality and performance by avoiding trade-offs between competing properties such as strength and ductility. However, methods to reproducibly synthesize heterostructured materials with explicit microstructural control are still elusive, and therefore optimizing their mechanical and functional properties via microstructural engineering is presently infeasible. Here, we describe a broadly applicable method to synthesize metallic films with precisely defined multimodal microstructures. This method enables explicit control of the size, volume fraction, and spatial connectivity of fine and coarse grains by exploiting two distinct forms of film growth (epitaxial and Volmer–Weber) simultaneously. We fabricated Cu and Fe films with bimodal and multimodal microstructures using this method and investigated their mechanical properties, which reveals a hitherto unknown breakdown in the strength–ductility synergy produced by such microstructures at small sample dimensions. Our approach enables systematic design of multimodal microstructures to tailor the mechanical properties of metallic materials and provides a platform to create functional thin films and 2D materials with prescribed phase morphologies and microstructures.
中文翻译:
具有精确定义的多模态微结构的异质结构金属薄膜的合成
异质结构材料(例如,具有多峰微结构的金属)通过避免在强度和延展性等竞争特性之间进行权衡,有望实现前所未有的功能和性能。然而,通过显式微结构控制可重复合成异质结构材料的方法仍然难以捉摸,因此通过微结构工程优化其机械和功能特性目前是不可行的。在这里,我们描述了一种广泛适用的方法来合成具有精确定义的多模态微结构的金属薄膜。该方法通过同时利用两种不同的薄膜生长形式(外延和沃尔默-韦伯),可以明确控制细晶粒和粗晶粒的尺寸、体积分数和空间连通性。我们使用这种方法制造了具有双峰和多峰微结构的 Cu 和 Fe 薄膜,并研究了它们的机械性能,这揭示了在小样品尺寸下由这种微结构产生的强度-延展协同作用的前所未有的破坏。我们的方法能够系统地设计多模态微结构以定制金属材料的机械性能,并提供一个平台来创建具有规定相形态和微结构的功能性薄膜和二维材料。
更新日期:2021-09-29
中文翻译:

具有精确定义的多模态微结构的异质结构金属薄膜的合成
异质结构材料(例如,具有多峰微结构的金属)通过避免在强度和延展性等竞争特性之间进行权衡,有望实现前所未有的功能和性能。然而,通过显式微结构控制可重复合成异质结构材料的方法仍然难以捉摸,因此通过微结构工程优化其机械和功能特性目前是不可行的。在这里,我们描述了一种广泛适用的方法来合成具有精确定义的多模态微结构的金属薄膜。该方法通过同时利用两种不同的薄膜生长形式(外延和沃尔默-韦伯),可以明确控制细晶粒和粗晶粒的尺寸、体积分数和空间连通性。我们使用这种方法制造了具有双峰和多峰微结构的 Cu 和 Fe 薄膜,并研究了它们的机械性能,这揭示了在小样品尺寸下由这种微结构产生的强度-延展协同作用的前所未有的破坏。我们的方法能够系统地设计多模态微结构以定制金属材料的机械性能,并提供一个平台来创建具有规定相形态和微结构的功能性薄膜和二维材料。