最新拉伸实验表明：硅纳米线的拉伸能力接近其理论极限值

科学家在最新的拉伸试验中，几乎到达了硅纳米线拉伸的理论极限值。

柔性电子电路在被反复折叠拉伸后仍然保持功能性，被认为可以广泛用于柔性机器人的操控制。硅，毫无疑问是现代电子产业最最重要的材料。然而可惜的是，即使将它作成线也不能赋予它很好的拉伸性。

最近的一项理论计算表明，我们最多可以将硅纳米线拉伸23%，具体拉伸性能取决于线的晶体结构和拉伸方向。这个结果让我们不禁要问：为什么之前我们从来没有把它拉得这么长？

最近，一个由科学家和工程师组成的国际团队测试了单晶硅纳米线材料的弹性应变极限。该团队发现，硅纳米线的的拉伸几乎可以达到理论的极限值。

硅纳米线的测试

试验中，研究人员基于气液固(vapor-liquid-solid, VLS)机理生长了直径为100nm的硅纳米线。该方法首在衬底上涂敷某种催化剂金属，在一定温度下形成合金液滴，气相原子(或分子)不断向液滴中溶解。气相原子/分子达到超饱和状态后就会析出，在固液分界处实现晶体的生长。这种方法的优势在于可以实现晶体的快速生长。

研究人员使用纳米压痕仪来测试纳米线在微观尺度下的力学变化，同时对得到的数据进行分析。这台仪器可以沿着某一方向拉伸纳米线，并定量评估得到的变形结果。室温下，硅纳米线可被多次重复拉伸，其弹性应变均超过10%。有一些测试样品可以达到惊人的17% ~ 20%，与弹性形变理论值非常接近，并且其拉伸应变在16%左右。

为了进一步探索拉伸极限值，科学家们在不同加载速率下进行了加卸载测试。结果表面，硅纳米线在断裂之前的变形是可逆的，并且完全不受加卸载力大小的影响。这一现象被称作“无迟滞现象”。他们同时发现，硅纳米线并不具备范性形变能力，超过弹性极限之后直接脆性断裂。

这些实验证明，硅纳米线在脆性断裂之前只有弹性变形阶段，而并非像大多数材料一样在断裂之前还有范性形变阶段。

科学家们认为，他们之所以接近拉伸的理论值是因为纳米尺寸下的单晶硅只包含极少的缺陷，晶体结构在原子层级排列规整。

这些发现如何影响硅纳米线的未来？

科研团队表明，可以通过拉伸硅的晶格让硅原子稍稍脱离之前的平衡位置。这种“弹性应变工程”可以创造出非常独特的材料性质。例如，将原子拉回平衡位置的驱动力足以影响物质的化学反应活性。或许某一天我们可以将硅的这些特殊性质应用在新的化学领域。

但是我们不能忽略，尽管硅纳米线的实验拉伸值已经接近理论值，从应用角度来它的拉伸能力仍然不足，并且很容易发生脆性裂变。因此，对于柔性电子来讲，我们还应该探寻更广阔的领域。

编辑：梁博深

参考：ScienceAdvances, 2016. DOI: 10.1126/sciadv.1501382 

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