journal article·2010-06-01

Plasticity in Confined Dimensions

Oliver Kraft, Patric A. Gruber, Reiner Mönig, Daniel Weygand

Publisher page

Abstract

This review examines the size effects observed in the mechanical strength of thin metal films and small samples such as single-crystalline pillars, whiskers, and wires. Experimental results from mechanical testing and electron microscopy studies, as well as recent insights from discrete dislocation dynamics simulations, are presented. The size dependency of deformation may be separated into three regimes: the nanometer regime of roughly 100 nm and below, an intermediate regime between 100 nm and approximately 1 μm, and a bulk-like regime. We argue that there is no scaling law with one universal power-law exponent encompassing the entire range. Instead, there are a number of different mechanisms and underlying effects, e.g., the initial dislocation microstructure or loading conditions. The complex interaction of these mechanisms leads to the typically observed scaling behavior.
Source: crossref · Quality: baseline

Research context

OpenAlex topics: Microstructure and mechanical properties · Metal and Thin Film Mechanics · Force Microscopy Techniques and Applications

SciVX discovery tags are terminology-based. OpenAlex topics are source-provided classifications.

Affiliations

Institut für Materialforschung II and Institut für Zuverlässigkeit von Bauteilen und Systemen, Karlsruher Institut für Technologie (KIT), 76131 Karlsruhe, Germany;, , ,

References (100+)

Show source-provided references
1. 10.1088/0370-1301/64/9/30310.1088/0370-1301/64/9/303 ↗
2. Petch NJ · J. Iron Steel Inst. · 1953 · 174 · 25
3. 10.1063/1.172229410.1063/1.1722294 ↗
4. 10.1063/1.172290010.1063/1.1722900 ↗
5. 5. Beans JW. 1959. Mechanical properties of thin films of gold and silver. Presented at Struct. Prop. Thin Films: Proc. Int. Conf., Bolton Landing, New York, Sept. 9–11
6. 6. Menter JW, Pashley DW. 1959. The microstructure and mechanical properties of thin films. Presented at Struct. Prop. Thin Films: Proc. Int. Conf., Bolton Landing, New York, Sept. 9–11
7. 7. Wilsdorf HGF. 1959. On the multiplication of dislocations in thin foils. Presented at Struct. Prop. Thin Films: Proc. Int. Conf., Bolton Landing, New York, Sept. 9–11
8. 10.1007/BF0266665910.1007/BF02666659 ↗
9. 10.1016/0022-0248(74)90424-210.1016/0022-0248(74)90424-2 ↗
10. 10.1016/0022-0248(75)90171-210.1016/0022-0248(75)90171-2 ↗
11. 10.1557/JMR.1992.204010.1557/JMR.1992.2040 ↗
12. 10.1016/0956-716X(92)90513-E10.1016/0956-716X(92)90513-E ↗
13. 10.1557/JMR.1993.023710.1557/JMR.1993.0237 ↗
14. 10.1557/JMR.1998.027210.1557/JMR.1998.0272 ↗
15. 10.1016/S1359-6462(98)00195-X10.1016/S1359-6462(98)00195-X ↗
16. 10.1080/095008302100005028710.1080/0950083021000050287 ↗
17. 10.1016/S0921-5093(00)01690-710.1016/S0921-5093(00)01690-7 ↗
18. 10.1126/science.109899310.1126/science.1098993 ↗
19. 10.1016/j.actamat.2004.12.03110.1016/j.actamat.2004.12.031 ↗
20. 10.1080/1478643060056773910.1080/14786430600567739 ↗
21. 10.1002/adem.20060012910.1002/adem.200600129 ↗
22. 10.1063/1.297968410.1063/1.2979684 ↗
23. 10.1016/j.msea.2009.01.01110.1016/j.msea.2009.01.011 ↗
24. 10.1063/1.218381410.1063/1.2183814 ↗
25. 10.1016/j.actamat.2008.06.02810.1016/j.actamat.2008.06.028 ↗
26. 10.1063/1.288458410.1063/1.2884584 ↗
27. 10.1088/0965-0393/9/3/30310.1088/0965-0393/9/3/303 ↗
28. Kubin LP · Diffus. Defect Data B · 1992 · 23 · 455
29. 10.1016/0036-9748(87)90332-210.1016/0036-9748(87)90332-2 ↗
30. 10.1103/PhysRevB.41.695810.1103/PhysRevB.41.6958 ↗
31. 10.1088/0965-0393/10/4/30610.1088/0965-0393/10/4/306 ↗
32. 10.1088/0965-0393/3/5/00810.1088/0965-0393/3/5/008 ↗
33. 10.1016/S0921-5093(97)00362-610.1016/S0921-5093(97)00362-6 ↗
34. 10.1088/0965-0393/12/1/01410.1088/0965-0393/12/1/014 ↗
35. 10.1088/0965-0393/6/6/00710.1088/0965-0393/6/6/007 ↗
36. 10.1103/PhysRevB.61.91310.1103/PhysRevB.61.913 ↗
37. 10.1063/1.36942910.1063/1.369429 ↗
38. 38. Bulatov VV. 2006. Computer Simulations of Dislocations. Oxford, UK: Oxford Univ. Press. 284 pp.10.1093/oso/9780198526148.001.0001 ↗
39. 10.1088/0965-0393/15/6/00110.1088/0965-0393/15/6/001 ↗
40. 10.1016/S1359-6454(98)00231-610.1016/S1359-6454(98)00231-6 ↗
41. 10.1557/JMR.1991.149810.1557/JMR.1991.1498 ↗
42. 10.1557/JMR.1993.184510.1557/JMR.1993.1845 ↗
43. 10.1016/0040-6090(95)05834-610.1016/0040-6090(95)05834-6 ↗
44. 10.1557/JMR.1998.018610.1557/JMR.1998.0186 ↗
45. 10.1063/1.12247110.1063/1.122471 ↗
46. 10.1016/S1359-6454(03)00282-910.1016/S1359-6454(03)00282-9 ↗
47. 10.1557/JMR.1993.011210.1557/JMR.1993.0112 ↗
48. 10.1557/JMR.1993.154210.1557/JMR.1993.1542 ↗
49. 10.1016/S1359-6454(03)00006-510.1016/S1359-6454(03)00006-5 ↗
50. 10.1016/S1359-6454(03)00007-710.1016/S1359-6454(03)00007-7 ↗
51. 10.1016/S1359-6462(02)00306-810.1016/S1359-6462(02)00306-8 ↗
52. 10.1016/j.jmps.2003.07.00110.1016/j.jmps.2003.07.001 ↗
53. 10.1016/S1359-6462(01)01067-310.1016/S1359-6462(01)01067-3 ↗
54. 10.1016/S0921-5093(00)00876-510.1016/S0921-5093(00)00876-5 ↗
55. 10.1063/1.164463410.1063/1.1644634 ↗
56. 10.1016/j.actamat.2008.01.02710.1016/j.actamat.2008.01.027 ↗
57. 10.1016/j.actamat.2006.06.05910.1016/j.actamat.2006.06.059 ↗
58. 10.1016/j.mechmat.2004.02.00210.1016/j.mechmat.2004.02.002 ↗
59. 10.1063/1.166912410.1063/1.1669124 ↗
60. 10.1016/S1359-6454(01)00293-210.1016/S1359-6454(01)00293-2 ↗
61. 10.1016/S0167-9317(03)00395-210.1016/S0167-9317(03)00395-2 ↗
62. 10.1073/pnas.040006610110.1073/pnas.0400066101 ↗
63. 10.1557/JMR.2005.022010.1557/JMR.2005.0220 ↗
64. 10.1038/3532810.1038/35328 ↗
65. 10.1038/nmat70010.1038/nmat700 ↗
66. 10.1016/j.actamat.2004.09.00110.1016/j.actamat.2004.09.001 ↗
67. 10.1016/j.actamat.2005.12.02610.1016/j.actamat.2005.12.026 ↗
68. 10.1126/science.108372710.1126/science.1083727 ↗
69. Dehm G · J. Mater. Sci. Technol. · 2002 · 18 · 113
70. 10.1016/j.actamat.2007.12.04310.1016/j.actamat.2007.12.043 ↗
71. 10.1016/j.actamat.2007.06.01510.1016/j.actamat.2007.06.015 ↗
72. 10.1016/j.actamat.2007.08.02710.1016/j.actamat.2007.08.027 ↗
73. 10.1016/j.actamat.2005.05.02310.1016/j.actamat.2005.05.023 ↗
74. 10.1016/j.msea.2007.12.03810.1016/j.msea.2007.12.038 ↗
75. 10.1007/s00339-005-3204-610.1007/s00339-005-3204-6 ↗
76. 10.1146/annurev-matsci-082908-14542210.1146/annurev-matsci-082908-145422 ↗
77. 10.1126/science.112388910.1126/science.1123889 ↗
78. 10.1016/S0921-5093(00)01733-010.1016/S0921-5093(00)01733-0 ↗
79. 10.1016/j.actamat.2008.02.04610.1016/j.actamat.2008.02.046 ↗
80. 10.1103/PhysRevLett.103.10550110.1103/PhysRevLett.103.105501 ↗
81. 10.1016/j.msea.2009.01.00510.1016/j.msea.2009.01.005 ↗
82. 10.1038/nmat208510.1038/nmat2085 ↗
83. 10.1063/1.278494810.1063/1.2784948 ↗
84. 10.1016/j.actamat.2007.10.01510.1016/j.actamat.2007.10.015 ↗
85. 10.1021/nl901510710.1021/nl9015107 ↗
86. 10.1038/nmat237010.1038/nmat2370 ↗
87. 10.1063/1.156647110.1063/1.1566471 ↗
88. 10.1080/1478643050003661110.1080/14786430500036611 ↗
89. 10.1016/j.jmps.2006.04.00510.1016/j.jmps.2006.04.005 ↗
90. 10.1016/j.actamat.2003.10.02210.1016/j.actamat.2003.10.022 ↗
91. 10.1016/j.ijplas.2006.01.00710.1016/j.ijplas.2006.01.007 ↗
92. 10.1016/S0921-5093(00)01703-210.1016/S0921-5093(00)01703-2 ↗
93. 10.1016/S0022-5096(02)00010-810.1016/S0022-5096(02)00010-8 ↗
94. 10.1016/j.scriptamat.2006.02.00310.1016/j.scriptamat.2006.02.003 ↗
95. 10.1016/j.jmps.2005.07.00510.1016/j.jmps.2005.07.005 ↗
96. 10.1016/j.jmps.2007.03.00910.1016/j.jmps.2007.03.009 ↗
97. 10.1016/j.jmps.2008.10.00410.1016/j.jmps.2008.10.004 ↗
98. 10.1080/1478643070159151310.1080/14786430701591513 ↗
99. 10.1016/j.actamat.2008.03.01110.1016/j.actamat.2008.03.011 ↗
100. 10.1016/j.scriptamat.2007.11.03110.1016/j.scriptamat.2007.11.031 ↗