Zbadanie elastycznych właściwości nanomateriałów metodą rozpraszania światła Brillouina
Loading...
Date
2022
Authors
Editor
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Title alternative
Evaluation of elastic properties of nanomaterials by Brillouin light scattering
Abstract
Praca doktorska dotyczy właściwości mechanicznych nanomateriałów o różnych poziomach ograniczenia przestrzennego, takich jak powłoki nanokompozytowe, cienkie membrany i kryształy koloidalne (CCs). W pracy wykorzystano zjawisko rozpraszania światła Brillouina (BLS) do zbadania wpływu parametrów takich jak stechiometria, nano-ograniczenie przestrzenne (efekt rozmiaru) lub warunki wysokiego ciśnienia na właściwości mechaniczne nanomateriałów. W przypadku powłok nanokompozytowych zbadano wpływ zawartości Ta% na odpowiedź mechaniczną warstw Ta-Hf-C na substracie z Si. Wyniki wykazały wyższy moduł Younga dla stopów trójskładnikowych (TaC)x(HfC)y niż dla binarnych TaC lub HfC. Elastyczny efekt rozmiarowy zbadano na przykładzie membran z MoSe2 o grubości od kilku do kilkudziesięciu nanometrów. Wyniki eksperymentalne wykazały moduł Younga membrany o grubości dwóch warstw maleje o około 30% w stosunku do materiału litego. Zaprezentowano wzmocnienie mechaniczne trójwymiarowych kryształów koloidalnych polistyrenu za pomocą azotu i argonu w stanie nadkrytycznym. Metoda ta polega na wykorzystaniu współdziałania plastycyzacji powierzchni cząstek w nanoskali oraz nadciśnienia hydrostatycznego. Wyniki pokazują, że BLS jest skutecznym narzędziem w określaniu mechanicznych właściwości różnych układów w nanoskali w sposób nieniszczący i bezdotykowy. Ponadto, metoda ta pozwoliła na zbadanie nieopisanych wcześniej zjawisk, takich jak mechaniczne zmiękczenie dwuwymiarowych materiałów czy plastyfikację nanostruktur polimerowych pod wpływem wysokiego ciśnienia.
The thesis explores the mechanical properties of nanomaterials with different levels of spatial confinement: nanocomposite coatings, ultrathin membranes, and colloidal crystals (CCs). Brillouin light scattering (BLS) was used to investigate the effect of stoichiometry, nanoconfinement, or a high-pressure environment on the mechanical features of the nanomaterials. For nanocomposite coatings, the influence of Ta% content was investigated in the mechanical response of the Ta-Hf-C films supported by Si. The results revealed a higher Young modulus for ternary alloys (TaC)x(HfC)y than that of binary TaC or HfC. The elastic size effect in 2D membranes is presented on the example of MoSe2. Measurements were performed for bulk and MoSe2 membranes of different thicknesses. Experimental results revealed about 30% elastic softening of MoSe2, while decreasing thickness from bulk to two layers. Finally, uniform mechanical reinforcement of 3D polystyrene CCs by supercritical nitrogen and argon is presented. This treatment leads to permanent physical bonds between the particles while maintaining their shape and periodic arrangement, i.e., soldering. BLS allowed the determination of preferential pressure, temperature, and time ranges for soldering. Overall, the results show that BLS is a powerful tool that allows the mechanical characterization of various nanosystems in a contactless and non-destructive manner. Moreover, this technique allows for the investigation of novel effects, such as mechanical softening of 2D materials and gas pressure-induced plasticization of polymer nanostructures.
The thesis explores the mechanical properties of nanomaterials with different levels of spatial confinement: nanocomposite coatings, ultrathin membranes, and colloidal crystals (CCs). Brillouin light scattering (BLS) was used to investigate the effect of stoichiometry, nanoconfinement, or a high-pressure environment on the mechanical features of the nanomaterials. For nanocomposite coatings, the influence of Ta% content was investigated in the mechanical response of the Ta-Hf-C films supported by Si. The results revealed a higher Young modulus for ternary alloys (TaC)x(HfC)y than that of binary TaC or HfC. The elastic size effect in 2D membranes is presented on the example of MoSe2. Measurements were performed for bulk and MoSe2 membranes of different thicknesses. Experimental results revealed about 30% elastic softening of MoSe2, while decreasing thickness from bulk to two layers. Finally, uniform mechanical reinforcement of 3D polystyrene CCs by supercritical nitrogen and argon is presented. This treatment leads to permanent physical bonds between the particles while maintaining their shape and periodic arrangement, i.e., soldering. BLS allowed the determination of preferential pressure, temperature, and time ranges for soldering. Overall, the results show that BLS is a powerful tool that allows the mechanical characterization of various nanosystems in a contactless and non-destructive manner. Moreover, this technique allows for the investigation of novel effects, such as mechanical softening of 2D materials and gas pressure-induced plasticization of polymer nanostructures.
Description
Wydział Fizyki
Sponsor
This thesis was possible thanks to the Foundation for Polish Science under the First Team program “PHNOM” - (POIR.04.04.00-00-5D1B/18)
Keywords
właściwości elastyczne, elastic properties, rozpraszanie światła Brillouina, Brillouin light scattering, membrany 2D, 2D membranes, cienkie warstwy, thin films, kryształy koloidalne, colloidal crystals