5. TEKNIK UNTUK SINTESIS DAN KONSOLIDASI NSM
5.4. Sintesis fase solid - state
5.4.2. Deformasi plastis yang parah
Umumnya ada bentuk deformasi mekanik pada kondisi geser dan tingkat regangan tinggi dapat menyebabkan pembentukan struktur nano, karena energi dipompa ke dalam struktur kristal menghasilkan kisi-kisi cacat. Deformasi plastis yang parah itu terjadi selama mesin, rolling dingin,
50
menggambar, deformasi siklik atau memakai geser juga telah dilaporkan membentuk bahan berstruktur nano.
Pengolahan severe plastic deformation (SPD), dimana material dikenai pengenaan strain yang sangat besar tanpa adanya perubahan bersamaan dalam sampel dimensi penampang, yang merupakan salah satu pendekatan top-down yang paling berhasil. Bahan yang dihasilkan oleh teknik SPD memiliki ukuran butiran dalam kisaran 50 - 1000 nm. Namun, mereka memiliki struktur sub-partikel, yang seringkali jauh lebih kecil dari 100 nm. Sekarang ini ada beberapa pengolahan SPD yang tersedia diantaranya : equal-channel angular pressing (ECAP), torsi tekanan
tinggi, ikatan roll akumulatif, perengkahan berulang dan pengolahan pengadukan.
Torsi yang bergerak di bawah tekanan tinggi dan penggeseran sudut yang sama adalah metode yang paling terkenal untuk memberikan SPD dan pembentukan struktur nano. Pada gambar 32 secara skematis menunjukkan prinsip teknik SPD.
Gambar. 32. Skema metode SPD: (a) - torsi yang tegang; (B) – proses equal-channel angular (ECA).
Metode torsi yang tegang apabila di bawah tekanan tinggi dapat digunakan untuk pembuatan sampel jenis disk (gambar 32a). Logam batang diletakkan di antara landasan dan dilipat dalam torsi di bawah tekanan yang diterapkan (P) dari beberapa GPa. Pegangan yang lebih rendah berputar dan gaya gesekan permukaan mengubah bentuk logam batang dengan proses geser. Karena bentuk geometris spesifik dari sampel, volume utama material yang tegang dalam kondisi kompresi kuasi-hidrostatik di bawah tekanan yang diberikan dan tekanan lapisan luar sampel. Akibatnya, terlepas dari nilai regangan yang besar, sampel yang gagal tidak dihilangkan.
Torsi tegang yang parah dapat digunakan tidak hanya untuk penyempurnaan struktur mikro tetapi juga untuk konsolidasi serbuk. Selama torsi tegang pada suhu kamar, tekanan tinggi dapat memberikan kepadatan yang mungkin mendekati 100% pada sampel disk yang diproses.
Selama pengolahan ECA billet material banyak ditekan melalui cara seperti (gambar 32b). Sudut perpotongan antara dua saluran biasanya 900, namun dalam kasus material yang sulit dileburkan, sudutnya bisa berubah. Selain itu, untuk pengolahan bahan yang hampir tidak terdeformasi, pengepres ECA dapat dilakukan pada suhu tinggi. Selama arah ECA dan jumlah billet yang melewati saluran merupakan parameter yang sangat penting untuk pengembangan mikrostruktur.
Sampai sekarang, tidak ada pandangan umum tentang mekanisme penyulingan partikel-partikel. Salah satu mekanisme yang diusulkan adalah konsentrasi dislokasi pada dinding sel dan
51
sel di dalam yang tidak ada dalam material dengan energi patahan bertumpuk tinggi (misalnya, Cu dan Ni). Peningkatan tegangan lebih lanjut menyebabkan penurunan ukuran sel dan peningkatan misorientasi sel akibat gerakan dislokasi. Hal itu dapat menyebabkan intensifikasi mode rotasi deformasi di dalam keseluruhan sampel.
Pada bahan yang mengalami penumpukan energi yang relatif rendah, seperti misalnya paduan Ni-Cr, penyempurnaan struktur mikro disebabkan oleh pembentukan band geser.
Berdasarkan data eksperimen, struktur model terbaru bahan defek berikut selama SPD diusulkan, gambar 33. Gagasan utamanya adalah transformasi struktur seluler (gambar 33.a) yang terperinci. Tahap ini diuraikan oleh penurunan kerapatan dislokasi pada batas partikel (sel) yang disebabkan oleh pemusnahan sebagian dislokasi dari tanda yang berbeda ketika kerapatan dislokasi mencapai beberapa nilai kritis (gambar 33.b). Akibatnya, ada kelebihan dislokasi dengan tanda yang sama (gambar 33.c). Dislokasi yang tersisa selanjutnya meningkatkan misorientasi dalam kasus dislokasi dengan vektor Burgers yang diarahkan tegak lurus terhadap batas; Pada saat yang sama medan tegangan jarak jauh dihubungkan dengan dislokasi yang juga dapat menyebabkan partikel di sepanjang batas, yaitu mengungkapkan mode deformasi rotasi yang ditunjukkan sebelumnya untuk tegang plastik besar.
Gambar. 33. Skema model evolusi struktur dislokasi pada tahap yang berbeda selama SPD (diadaptasi dari RZ Valiev, RK Islamgaliev, I. Alexandrov. Bahan struktur nano dari SPD,
Kemajuan dalam Mat Sci., 2000, ay 45, 103 -189)
Sebagian besar batas partikel dalam bahan nanokristalin (nc) berada pada keadaan non-ekuilibrium. Batas butir non-ekuilibrium di NSM ditandai oleh kelebihan energi dan tegangan elastisitas jarak jauh karena adanya kerapatan defisiensi ekstrinsik yang tinggi pada strukturnya. Tekanan ini menghasilkan distorsi dan dilatasi kisi kristal yang signifikan di dekat batas butir yang diungkap secara eksperimental dengan metode TEM dan Xray. Pada gilirannya, perpindahan atom di daerah perbatasan yang dekat mengubah dinamika getaran kisi dan sebagai hasilnya, mengubah sifat mendasar seperti modulus elastis, suhu Debye dan Curie dan lainnya, Tabel 3.
52
Sekarang ini struktur nano digunakan untuk sejumlah logam murni, baja dan senyawa intermetalik, serta untuk komposit matriks logam dan semikonduktor. Mikrostruktur nano-tembaga yang dihasilkan dengan bantuan SPD ditunjukkan pada gambar 34.
Gambar. 34. Mikrostruktur SPD menghasilkan tembaga nc 5.5. Metode lainnya
Berikut adalah beberapa metode yang lebih penting di antara metode yang ada, diantaranya. Laboratorium Fujitsu Ltd mengembangkan metode baru untuk fabrikasi ukuran dan titik oksida pengontrol yang dikendalikan pada substrat semikonduktor yang ditunjukkan pada gambar. 35. Dalam metode ini, ujung AFM dipindahkan di dekat permukaan semikonduktor dan voltase diterapkan. Akibatnya, molekul air di atmosfer terurai menjadi ion Hidrogen (H +) dan Hidroksida (OH-), dan ion OH mengoksidasi substrat di bawah ujungnya. Diameter titik oksida dapat dikontrol dengan menyesuaikan durasi dari aplikasi tegangan. Pada langkah berikutnya, titik oksida dilepaskan dengan pembersihan ultrasonik dalam air, dengan membentuk lubang pada substrat. Akhirnya, substrat ditempatkan ke dalam ruang Molecular Beam Epitaxy (MBE), dan titik kuantum dibuat dengan menggunakan proses yang mirip dengan perkembangan pembuatan sendiri.
53
Gambar. 35. Febrikasi Quantum dot dan susunan titik kuantum
Metode lain yang menarik adalah pembuatan tabung semikonduktor dengan teknik penggulungan (gambar 36). Pelepasan lapisan semikonduktor tipis dari permukaan substrat menghasilkan pembentukan kelas baru nano dan mikro objek yang berdiri bebas. Sisi kanan menunjukkan bilayer tegang tipis yang digulung ke dalam tabung setelah lapisan penyangga korban diseleksi secara selektif. Teknik ini memungkinkan posisi yang akurat dari struktur baru nano semikonduktor dan oleh karena itu merupakan metode ampuh untuk menggabungkan pendekatan top-down dan bottom-up dalam nanoteknologi.