硅納米線連接的分子動(dòng)力學(xué)模擬研究

戰(zhàn)祥悌 房冉冉 王維

摘要：硅納米線是一種新型的材料，在鋰電池、太陽(yáng)能電池、微電子等方面有著廣泛的應(yīng)用。硅納米線的連接技術(shù)是硅納米線制造的關(guān)鍵技術(shù)之一，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)不同的方法對(duì)硅納米線的連接技術(shù)進(jìn)行了研究。但是在實(shí)體實(shí)驗(yàn)中，很難觀察到硅納米線連接過(guò)程中的微觀變化，而分子動(dòng)力學(xué)模擬方法，卻能夠很好地把硅納米線的連接微觀過(guò)程展現(xiàn)出來(lái)。本文綜述了分子動(dòng)力學(xué)模擬近幾年的進(jìn)展情況，并討論了通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)模擬的方法探究硅納米線連接最佳工藝參數(shù)的方法。

關(guān)鍵詞：納米線;硅納米線;分子動(dòng)力學(xué)模擬;LAMMPS

中圖分類號(hào)：TN304

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2020）04-0272-02

收稿日期：2019-10-25

作者簡(jiǎn)介：戰(zhàn)祥悌（1999—），男，山東日照人，本科，研究方向?yàn)椴牧衔⒂^結(jié)構(gòu)及性能;通訊作者：房冉冉（1989—），女，山東菏澤人，碩士研究生，講師，研究方向?yàn)椴牧衔⒂^結(jié)構(gòu)及性能材料成型數(shù)值模擬;王維（1989—），女，陜西人，碩士，講師，研究方向?yàn)椴牧媳砻娓男浴?/p>

分子動(dòng)力學(xué)模擬是近幾年迅速發(fā)展起來(lái)的一種分子模擬技術(shù)，它以牛頓力學(xué)、量子力學(xué)、統(tǒng)計(jì)力學(xué)為理論基礎(chǔ)，依托當(dāng)今計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算能力，對(duì)特定條件下的分子體系進(jìn)行計(jì)算。得到該分子體系中各粒子的速度、位移、勢(shì)能等重要信息。最后再對(duì)這些重要數(shù)據(jù)進(jìn)行分析總結(jié)，以達(dá)到研究整個(gè)分子系統(tǒng)的變換規(guī)律的目的。另外分子動(dòng)力學(xué)最為迷人的地方在于它能夠從分子的角度展現(xiàn)出整個(gè)體系的變換過(guò)程，這是實(shí)際實(shí)：驗(yàn)無(wú)法達(dá)到的。

1 分子動(dòng)力學(xué)基本原理

分子動(dòng)力學(xué)基本原理是牛頓第二定律，將分子看成獨(dú)立的粒子，用勢(shì)函數(shù)當(dāng)作牛頓第二定律中的力，通過(guò)差分法計(jì)算出粒子的速度、位移、勢(shì)能等信息的研究工具。它不同于普通實(shí)驗(yàn)的是，分子動(dòng)力學(xué)方法能夠很好地從分子角度反映物質(zhì)演變的過(guò)程和本質(zhì)。

勢(shì)函數(shù)用來(lái)描述分子之間的作用力，在勢(shì)函數(shù)的作用下就能通過(guò)牛頓第二定律計(jì)算出原子的運(yùn)動(dòng)軌跡，牛頓第二定律公式如下：

F=m*d2r/dt2

式中F——所受的外力，單位N

r——分子的位移，單位M

t——時(shí)間，單位S

依次對(duì)每個(gè)粒子的受力情況進(jìn)行計(jì)算，再用差分法求的每個(gè)瞬態(tài)粒子的狀態(tài)，然后依靠統(tǒng)計(jì)力學(xué)理論獲得內(nèi)部原子的運(yùn)動(dòng)信息，進(jìn)而得到該實(shí)驗(yàn)條件下整體的變化過(guò)程，從本質(zhì)上對(duì)物質(zhì)行為做出解釋。[2]

隨著計(jì)算機(jī)處理器計(jì)算速度的提高以及大規(guī)模并行計(jì)算架構(gòu)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)為分子動(dòng)力學(xué)提供了更加強(qiáng)大的計(jì)算能力，在近幾年的發(fā)展過(guò)程當(dāng)中，也早已成為材料科學(xué)鄰域重要

的研究手段。

2 納米線連接分子動(dòng)力學(xué)模擬的進(jìn)展

材料連接是材料加工過(guò)程中非常重要的技術(shù)，連接質(zhì)量的好壞直接影響到產(chǎn)品的質(zhì)量。近幾年納米線蓬勃發(fā)展，在很多領(lǐng)域展現(xiàn)出了獨(dú)特的優(yōu)越性能，所以說(shuō)發(fā)展納米線的連接顯得尤為重要。[3]

納米線是指直徑在100nm之下，長(zhǎng)度無(wú)限制的一維納米材料。根據(jù)組成成分的不同可以將納米線分為金屬納米線、半導(dǎo)體納米線及絕緣體納米線。納米線的連接機(jī)理和宏觀焊接存在著巨大的差異。為了能夠從分子角度反映出納米線連接的機(jī)理，更好地為納米線焊接工藝奠定基礎(chǔ)，分子動(dòng)力學(xué)模擬方法在納米線連接研究過(guò)程中大放異彩。

CUI等[4]就是利用分子動(dòng)力方法對(duì)直徑為2nm長(zhǎng)度不同的交叉Ag納米線的鏈接進(jìn)行了模擬研究。研究表明，在溫度較高時(shí)，納米線的連接處結(jié)構(gòu)遭到了嚴(yán)重的破壞。在溫度低于300K時(shí)納米線可部分連接。揭示了冷熱焊對(duì)Ag納米線焊接的影響。

PEREIRA等l模擬了300k下直徑為4.3nm的Au、Ag、Ag-Au納米線的冷焊過(guò)程，研究表明，在冷焊接過(guò)程中，納米線的缺陷很少。在焊接過(guò)程中，應(yīng)力張量平均值比較小，并伴有張力和松弛階段的振蕩，且反應(yīng)的發(fā)生需要以后個(gè)較小的壓力。實(shí)驗(yàn)表明冷焊接兩種不同的金屬納米線是可能的，對(duì)于Ag-Au冷焊納米線，在拉伸過(guò)程中，當(dāng)達(dá)到抗拉強(qiáng)度時(shí)，在遠(yuǎn)離焊接區(qū)域斷裂，此說(shuō)明納米線連接區(qū)域的強(qiáng)度時(shí)過(guò)關(guān)的。

郝龍虎等[6]人利用分子動(dòng)力學(xué)模擬的方法，對(duì)孿晶界平行于縱軸方向的Cu納米線的力學(xué)性能進(jìn)行了探究。他們發(fā)現(xiàn)納米線的屈服應(yīng)力隨孿晶厚度的減小而不斷增大，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明孿晶厚度的減小對(duì)孿晶結(jié)構(gòu)的Cu納米線的強(qiáng)度具有顯著的強(qiáng)化效果。

不管是在國(guó)內(nèi)還是國(guó)外分子動(dòng)力學(xué)模擬方法以他強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)正在不斷地推動(dòng)著納米線等各領(lǐng)域不斷地向前發(fā)展。

3 模擬硅納米線連接方法的探討

研究硅納米線按的鏈接過(guò)程主要分為建立模型、模擬計(jì)算、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析。

3.1 建模過(guò)程

硅納米線作為一種新型的低緯度納米材料，因其在鋰電池、太陽(yáng)能電池、微電子等方面有非常廣闊的應(yīng)用前景，自硅納米線進(jìn)人人們視野中以來(lái)就備受關(guān)注。對(duì)硅納米線的制備的研究早已取得突破性進(jìn)展。目前硅納米線的制備方法主要包括激光燒灼法、化學(xué)氣相沉積法、熱氣相沉積法、溶液法等。生長(zhǎng)機(jī)理有VLS生長(zhǎng)機(jī)理、SLS生長(zhǎng)機(jī)理、氧化物輔助生長(zhǎng)機(jī)理等。[7]

Lieber等人[8]，使用催化劑Au，參考Au-Si二相圖，在370～500攝氏度下制的了直徑為3～15nm、長(zhǎng)度為1μum的硅納米線。在這里考慮到如果構(gòu)建尺寸較大的硅納米線，計(jì)算量巨大。所以，根據(jù)LAMMPS的計(jì)算能力我們選用3～5nm、長(zhǎng)度為30nm的硅納米線進(jìn)行研究。根據(jù)硅納米線的具體應(yīng)用納米線的頭對(duì)頭連接是一種最為基本的連接方式。所以，本實(shí)驗(yàn)只要研究硅納米線的多對(duì)頭連接過(guò)程。

我們使用的建模軟件是Materials Studio。分別建立直徑為3nm、4nm、5nm的硅納米線模型。納米線長(zhǎng)度統(tǒng)一采用30nm。我們采用頭對(duì)頭的連接方式，將兩納米線的間距設(shè)置為4A。如圖1所示：

LAMMPS將建好的納米線放置于盒子當(dāng)中，在LAMMPS當(dāng)中邊界條件有周期性邊界、非周期性邊界，因?yàn)楸緦?shí)驗(yàn)是要將硅納米線的兩端進(jìn)行連接。所以，我們選用非周期性邊界。將硅納米線下端完全固定，上端只允許在Z方向上運(yùn)動(dòng)，允許其他硅原子自由擴(kuò)散。

3.2 直徑工藝參數(shù)對(duì)硅納米線連接的影響

對(duì)于同等長(zhǎng)度的納米線，在同等溫度下進(jìn)行連接，直徑成為影響納米線連接質(zhì)量的重要因素。直徑越小表面能就越大，就越容易吸引原子，就越容易形成連接;反之直徑越大就越不容易吸引原子，越不容易形成連接。

硅納米線在未來(lái)微電子工藝方面前景廣闊，所以研究不同直徑對(duì)連接的影響顯得尤為重要。在LAMMPS當(dāng)中我們選擇溫度為1450K，納米線長(zhǎng)度30nm將實(shí)驗(yàn)分為三組，變量為直徑，分別為3nm、4nm、5nm。

3.3 溫度工藝參數(shù)對(duì)硅納米線連接的影響

目前來(lái)說(shuō)納米線連接的方法主要有激光法、超聲法等。其主要區(qū)別主要存在于提供加熱條件的不同。根據(jù)硅納米線的熔點(diǎn)我們選擇1300K、1350K、1400K、1450K、1500K、1550K的溫度梯隊(duì)，對(duì)直徑為4nm的硅納米線那進(jìn)行連接模擬。

3.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析方法

因?yàn)榧{米線在實(shí)際用工當(dāng)中，總會(huì)有不可避免的跌落、震動(dòng)等威脅到納米線的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，所以要對(duì)連接完成的硅納米新進(jìn)行強(qiáng)度的檢測(cè)。

本實(shí)驗(yàn)不僅在LAMMPS中對(duì)納米線的連接過(guò)程進(jìn)行計(jì)算，分析連接過(guò)程的結(jié)構(gòu)演變過(guò)程，并對(duì)連接完成的納米線進(jìn)行拉斷模擬，計(jì)算其應(yīng)力應(yīng)變曲線。在LAMMPS中我們?cè)诩{米線兩端施加載荷直至納米線被拉斷。這樣就能得到不同條件下納米線連接的強(qiáng)度。

4 總結(jié)

硅納米線在太陽(yáng)能電池、新型鋰電池、微電子等領(lǐng)域應(yīng)用前進(jìn)廣闊，備受國(guó)內(nèi)外學(xué)者的重視。本文簡(jiǎn)介了分子動(dòng)力學(xué)模擬的基本原理及其在納米線連接等鄰域的發(fā)展情況，并使用分子動(dòng)力學(xué)方法LAMMPS對(duì)探究不同條件下硅納米線連接的模擬方法進(jìn)行了探討，通過(guò)此例展現(xiàn)出了硅納米線連接模擬的具體方法步驟，讓讀者更加清晰的認(rèn)識(shí)了分子動(dòng)力學(xué)研究方法，也展現(xiàn)出分子動(dòng)力學(xué)模擬的魅力。

參考文獻(xiàn)：

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[通聯(lián)編輯：張薇]