Electro-chemo-mechanical coupling of nanoporous gold at the microscale

Abstract

Sein einstellbares Verstärkungs-, Versteifungs- und aktorisches Verhalten, das durch eine über das elektrochemische Potenzial gesteuerte Änderung des Oberflächenzustands hervorgerufen wird, macht nanoporöses Gold (NPG) zu einem vielversprechenden Kandidaten für zahlreiche Anwendungen. Aufgrund der komplexen Netzwerkstruktur erfordert ein grundlegendes Verständnis des funktionellen Verhaltens von NPG genaue Messungen der elektrochemisch-mechanischen Kopplung. Während auf der Makroebene bereits viel untersucht wurde, ist auf der Mikroebene noch wenig geschehen. In dieser Arbeit wurden mikromechanische Tests mit und ohne elektrochemische Umgebung durchgeführt, wobei ein modifiziertes Nanoindentationssystem zum Einsatz kam, mit dem die Auswirkungen der Verformungslängenskala und der mikrostrukturellen Längenskala untersucht wurden. Die Ergebnisse der Nanoindentation und der Mikrokompression ohne elektrochemische Kontrolle zeigen, dass der Elastizitätsmodul, die Festigkeit und die Härte mit zunehmender Ligamentgröße abnehmen. Durch Variation der Ligamentgröße (L) und des Probendurchmessers (D) von NPG-Mikrosäulen wurde ein kritisches Verhältnis (α=D/L=20) gefunden, oberhalb dessen die Teststruktur als repräsentatives Volumenelement (RVE) betrachtet werden kann, was zu einem reproduzierbaren Spannungs-Dehnungsverhalten und einer gleichmäßigen Verformung führt. Unterhalb dieses kritischen Verhältnisses nehmen sowohl die Fließspannung als auch der Elastizitätsmodul mit abnehmendem Säulendurchmesser ab, wie für eine feste Ligamentgröße von L=350 nm nachgewiesen wurde. Stochastisches Verhalten zusammen mit ungleichmäßiger Verformung für α<10, deuten darauf hin, dass die Größe der tragenden Einheiten nahe dem Zehnfachen der entsprechenden Ligamentgröße liegt. Im Falle der Mikrokompression in situ wurde ein neuartiges Belastungsprofil entwickelt, um den Beitrag zur Verschiebung durch Aktorik und durch kompressionsinduzierte Verformung zu entkoppeln. Die Fließspannung von Säulen unter Potenzialsprüngen zeigte denselben Trend wie die entsprechenden makroskopischen Ergebnisse; die Festigkeit wird durch die Oberflächenadsorption deutlich erhöht und diese Reaktion ist reversibel. Das Ausmaß der vorherigen Verformung von Säulen mit sauberer Oberfläche hat keinen Einfluss auf die sich einstellende Fließspannung in Verbindung mit der Adsorption. Es wurde festgestellt, dass der Elastizitätsmodul nicht vom Potenzial abhängt, im Gegensatz zu Ergebnissen der dynamisch-mechanischen Analyse auf der Makroebene. Die Spannungs-Dehnungs-Kurven von Säulen mit unterschiedlichem α zeigen, dass die relative Änderung der Festigkeit durch Adsorption (∆σ/σ_off) mit zunehmender Ligamentgröße abnimmt, d.h. die absolute Änderung der Festigkeit und die Festigkeit selbst skalieren unterschiedlich mit der Ligamentgröße. Eine Änderung der Säulengröße wirkt sich bei fester Ligamentgröße nicht auf ∆σ/σ_off aus, selbst wenn α unter dem Verhältnis der RVE für das mechanische Verhalten liegt.

Its tunable strengthening, stiffening and actuation behavior, induced by a change of surface state controlled via electrochemical potential, make nanoporous gold (NPG) a promising candidate for many applications. Due to the complex network structure, a fundamental understanding of the functional behavior of NPG requires accurate measurements of the electro-chemo-mechanical coupling. While many experiments at the macro-scale were published, only few experiments have been carried out at the micro-scale. In this work, the micromechanical testing with and without electrochemical control has been carried out, using a modified nanoindentation system with which the effects of deformation length-scale and microstructural length-scale are investigated. Based on the results of nanoindentation and microcompression without electrochemical environment, the elastic modulus, strength and hardness show a decrease with increasing ligament size. By varying ligament size (L) and sample diameter (D) of NPG micropillars, a critical ratio (α=D/L=20) was found, above which the test structure can be considered a representative volume element (RVE) resulting in reproducible stress-strain behavior and uniform deformation. Below this critical ratio, both flow stress and elastic modulus decrease with decreasing pillar diameter, as evidenced for a fixed ligament size of L=350 nm. Stochastic behavior along with non-uniform deformation for α<10, indicate that the size of the load-bearing unit is close to 10 times the corresponding ligament size. In the case of in situ microcompression, a novel loading profile was developed to decouple the contribution of displacement due to the actuation from the compression-induced deformation. The flow stress of pillars under potential jumps exhibited the same trend as the corresponding macroscopic results; strength is enhanced significantly due to the surface adsorption, and this response is reversible. The amount of previous deformation of pillars with a clean surface has no impact on the subsequent flow stress coupled with adsorption. The elastic modulus was found not to depend on the potential, in contrast to what was found with dynamic mechanical analysis at the macro-scale. The stress-strain curves of pillars with varying α indicate that the relative change in strength induced by adsorption (∆σ/σ_off) decreases with increasing ligament size, i.e. the absolute change in strength and the strength itself scale differently with the ligament size. A change in pillar size does not impact the ∆σ/σ_off for a fixed ligament size, even though α is below the ratio of the RVE for the mechanical behavior.