《Small Structures》：High Strength 3D Metal–Ceramic Nanoarchitecture Fabricated via Proximity Field Nanopatterning
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本文綜述了通過近場納米圖案化（PnP）結合電鍍和原子層沉積（ALD）技術制備大面積Ni/Al2O3納米結構的方法。該結構利用金屬和陶瓷層的尺寸效應及界面位錯阻擋機制，使抗壓強度在Al2O3涂層厚度為6nm和36nm時分別達到780MPa和1210MPa，較純鎳結構提升42%-119%。研究還揭示了Al2O3涂層的脆韌轉變現象，為高性能納米結構材料設計提供新策略。
引言
納米尺度多孔金屬結構可實現高強度重量比，但傳統制備方法在單元尺寸與生產速度間存在權衡。本研究通過近場納米圖案化（PnP）結合電鍍和原子層沉積（ALD）技術，制備了大面積鎳/氧化鋁（Ni/Al2O3）納米結構三維架構。該結構表現出顯著強度增強，源于金屬和陶瓷層的尺寸依賴效應以及界面位錯運動阻擋機制。
Ni-Al2O3多孔納米結構的表征
通過PnP工藝、電鍍和ALD技術制備的Ni-Al2O3納米結構具有連續排列的逆體心四方（BCT）單元結構，單元尺寸為600納米，適于利用金屬尺寸效應獲得高強度。通過控制ALD循環次數（50-300次）調節Al2O3涂層厚度（6-36納米），相應體積分數為2.8%-14.6%。三維重建顯示鎳結構的相對密度為64.1%。
有限元模擬表明，逆BCT結構的彈性模量和抗壓強度與相對密度呈冪律關系，指數m=1.46、n=1.21，接近拉伸主導結構特征。為減少鎳晶界影響，在氫氣氛圍400°C下退火10小時，使平均晶粒尺寸增至350納米。值得注意的是，無Al2O3涂層的納米結構在退火中坍塌，而涂層樣品保持結構完整，表明陶瓷層對熱穩定性有關鍵作用。
Ni-Al2O3多孔納米結構的力學性能
柱體壓縮測試顯示，隨著Al2O3涂層厚度增加，結構相對密度從0.67升至0.79，強度相應提高。6納米、12納米、24納米和36納米涂層對應的平均流變應力分別為780兆帕、960兆帕、1040兆帕和1210兆帕。較薄涂層（≤24納米）樣品強度變異小且變形穩定，而36納米涂層樣品出現顯著強度波動和載荷跌落，表明變形不穩定性。
透射電鏡分析揭示變形機制差異：6納米Al2O3涂層僅部分分層且保持界面完整性，而36納米涂層出現廣泛分層和嚴重開裂。掃描透射電鏡顯示薄氧化鋁層穩定變形且無裂紋形成，使位錯在鎳/氧化鋁界面處被阻擋和塞積。
為分析增強效應，測量了具有相似晶粒尺寸的鎳薄膜強度（1.26吉帕）。基于此輸入的有限元模擬預測純鎳納米結構強度為550兆帕。實驗測得6納米和36納米Al2O3涂層樣品的強度分別比模擬值高42%和119%，表明顯著增強效應。
強度提升歸因于納米單元尺寸效應和陶瓷涂層的位錯捕獲能力。當較強材料涂覆于較軟金屬時，硬質覆蓋層阻礙位錯運動，導致界面處位錯密度增加。氧化鋁層本身存在尺寸效應：常規ALD沉積氧化鋁強度為1.9吉帕，而厚度降至數十納米時強度可超5吉帕。在納米結構中，即使薄涂層也對應可觀體積分數，貢獻顯著強度提升。
有限元模擬顯示，在5%壓縮應變下，鎳和氧化鋁均達到其本征強度，應力分布均勻，表明材料-幾何組合優化。強度隨氧化鋁厚度變化顯著偏離傳統混合律預測，需采用考慮尺寸效應的模型描述。基于威布爾統計的修正模型給出氧化鋁有效增強強度隨體積分數減小而增加，從14.6%體積分數時的4.3吉帕升至2.8%時的9吉帕，威布爾模量2.21支持氧化鋁的缺陷敏感性及尺寸依賴變形行為。
結論
通過PnP、電鍍和ALD技術成功制備了具有不同氧化鋁涂層厚度（6-36納米）的Ni-Al2O3納米結構。該結構利用納米單元尺寸效應和共形氧化鋁涂層的位錯阻擋實現顯著強化，強度最高達1210兆帕，比模擬純鎳結構提高119%。有限元模擬證實應力均勻分布，透射電鏡分析表明薄陶瓷層脆韌轉變促進協同變形，避免分層，有助于強度提升。
實驗方法
三維聚合物模板通過PnP技術制備，SU-8光刻膠在導電金基板上旋涂，通過相位掩模版曝光形成三維衍射圖案。鎳通過脈沖電鍍滲入模板，去除聚合物后通過ALD沉積氧化鋁涂層。微觀柱體通過聚焦離子束加工，壓縮實驗使用平頭壓頭進行。變形后樣品通過透射電鏡分析，應力分布通過COMSOL軟件模擬。
