《Acta Materialia》：纳米压痕表征非晶态橄榄石薄膜的流变性

橄榄石，一种硅酸盐成分(Mg,Fe)2SiO4，是上地幔最主要的造岩矿物，镁铁质矿物的一种，深约410公里，在那里它转变成高压的多晶岩。橄榄石的力学性能在地球动力学中具有重要意义，因为橄榄石控制着上地幔的流变性，从而保证了韧性软流圈地幔与岩石圈板块之间的机械耦合。虽然已进行多年研究，但橄榄石的可塑性仍然没有充分的了解。这一领域的研究主要集中在位错滑移的塑性机理上。最近的一项研究表明，在高压下，橄榄石中的晶界容易发生非晶态化，超过玻璃转变温度时晶界滑动具有很强的激活作用。为了满足研究a-橄榄石力学行为的新需求，提出了一种利用脉冲激光沉积(PLD)制备a-橄榄石薄膜的纳米压痕研究方法。在过去的几十年里，已经开发了几种应变敏感度测量方法，用于研究材料从室温到高温的流变特性。尽管这种技术被广泛用于工程材料，但用于表征矿物的应用仍然很少。

比利时安特卫普大学的研究人员探讨了脉冲激光沉积非晶态橄榄石薄膜在恒定应变速率和松弛条件下的流变性能。非晶橄榄石薄膜表现出明显速率依赖性的粘弹-粘塑性行为，应变速率敏感性约为0.05，这表明硅酸盐具有复杂的非平衡结构。相关论文以题为“Rheology of amorphous olivine thin films characterized by nano indentation”发表在Acta Materialia。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.117257

本文制备薄膜的脉冲激光参数为：频率10Hz、波长192nm、激光流量约5 I/cm2、沉积速率在10-20nm/min，沉积在1 10-3Pa的真空压力下和室温下进行。沉积在取向[100]的硅片上，薄膜表面粗糙度小于1nm。

研究发现随着应变速率增加一个数量级，a-橄榄石薄膜具有一定的粘弹性，杨氏模量在89-92 GPa之间变化不大。在凹陷区进行的TEM观察显示有很强的弹性恢复，没有剪切带的迹象。a-橄榄石硬度具有显著的应变率敏感性，应变率敏感性指数m常数大于应变率7个数量级，等于0.052 0.002。a-橄榄石在环境温度下的高应变率敏感性与单晶橄榄石小得多的应变率敏感性形成鲜明对比。

图1 不同压痕方法概述

图2 折合模数和硬度随压痕应变率的变化

图3 (a) 应变率敏感度和(b)表观激活体积随接触深度的变化

图4 在最大穿透深度为50 nm的CSR实验中，在压痕下制备的横截面FIB箔的TEM分析

本文对沉积橄榄石薄膜进行了纳米压痕研究。对材料的杨氏模量、硬度等性能进行了测试和讨论。弛豫法已成功地用于研究非晶薄膜的粘塑性行为。这一结果证实了应变速率对非晶材料力学行为的重要性。本研究所涉及的温度并不能代表地球上地幔条件，因此本研究结果是橄榄石强度随应变率变化的上限。当玻璃流变性被热激活时，应变速率敏感性只会随着温度的升高而增加，直到材料表现出牛顿流动。这些结果为探讨a-橄榄石的流变学性质与温度的关系，直至其玻璃化转变温度奠定了基础。这些结果可以更好地与自然发生情况以及它通过激活晶界滑动对地球地幔流变学的影响进行比较讨论，有助于推断出地球地幔行为的可能含义。（文：破风）

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