銅/銀核殼結(jié)構(gòu)納米線連接的分子動力學(xué)模擬研究

魏英博，房冉冉

摘要：銅/銀核殼結(jié)構(gòu)納米線可在保持優(yōu)秀透光率和導(dǎo)電性的同時克服銀納米線的高成本及銅納米線的易氧化問題，在生物、化學(xué)傳感等柔性光電器件領(lǐng)域應(yīng)用前景十分廣闊。然而，銅/銀核殼結(jié)構(gòu)納米線的納米焊接工藝仍處于探討階段，探尋焊接成型過程中不同焊接參數(shù)下納米線結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)演變過程及接頭的力學(xué)性能是實現(xiàn)其制備應(yīng)用的一個關(guān)鍵問題。本文通過分子動力學(xué)模擬方法，更好地把銅/銀核殼結(jié)構(gòu)納米線焊接的微觀過程展現(xiàn)出來，并討論了通過分子動力學(xué)模擬來探究銅/銀核殼結(jié)構(gòu)納米線焊接最佳工藝參數(shù)的方法。

關(guān)鍵詞：納米線;銅/銀核殼結(jié)構(gòu)納米線;分子動力學(xué)模擬;LAMMPS

中圖分類號：TP391? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）21-0172-03

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

分子動力學(xué)模擬是一項將數(shù)學(xué)，物理和化學(xué)結(jié)合在一起的綜合性技術(shù)，依托牛頓力學(xué)模擬分子體系的運(yùn)動，以便于在模擬出的不同狀態(tài)系統(tǒng)中抽取樣本，計算出體系的構(gòu)型積分，并根據(jù)結(jié)果進(jìn)一步計算得到體系的熱力學(xué)量等宏觀性質(zhì)。通過分子動力學(xué)模擬的方法可以對實驗過程進(jìn)行的原理及規(guī)律從原子（分子）層面得到更加直觀的了解，是分子模擬實驗中最接近實際實驗條件的模擬方法，能夠促使我們的研究向著更高效，更經(jīng)濟(jì)，更有預(yù)見性的方向發(fā)展，這些優(yōu)點都是實際實驗所不具備的。

1 分子動力學(xué)基本原理

分子動力學(xué)模擬的基本原理是將原子和分子視作粒子系統(tǒng)，從系統(tǒng)的某一假定位能模型出發(fā)，并假定系統(tǒng)中粒子的運(yùn)動遵循牛頓第二定律，用勢函數(shù)當(dāng)作牛頓第二定律中的力，求解出運(yùn)動方程，進(jìn)而用差分法計算得到系統(tǒng)的熱力學(xué)參數(shù)、結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能等。能夠通過體系的微觀性質(zhì)運(yùn)算得到其宏觀性質(zhì)，更加直觀地展現(xiàn)出系統(tǒng)中粒子的變換過程[1]。在研究納米線焊接工藝及其結(jié)構(gòu)性能的過程中，進(jìn)行分子動力學(xué)模擬的過程如下：

納米線模型的建立：

利用LAMMPS軟件包自帶算法建立不同殼層厚度的銅/銀核殼結(jié)構(gòu)納米線焊接模型，并通過能量最小化和弛豫得到穩(wěn)定結(jié)構(gòu)模型。

焊接成型及結(jié)構(gòu)演變過程：

對不同溫度及壓力加載速度工藝參數(shù)下的焊接過程進(jìn)行模擬，采用原子組態(tài)圖、原子位移、徑向分布函數(shù)等手段揭示結(jié)構(gòu)演變過程。

對接接頭的力學(xué)性能測試：

利用LAMMPS軟件包對焊接接頭進(jìn)行單向拉伸，得到接頭的應(yīng)力應(yīng)變曲線。

總結(jié)最優(yōu)的焊接工藝參數(shù)：

通過對比接頭結(jié)構(gòu)以及力學(xué)性能，選擇對接焊接銅/銀核殼結(jié)構(gòu)納米線的最佳工藝參數(shù)。

進(jìn)行分子動力學(xué)模擬的首要環(huán)節(jié)是建立模型，通過將實際模型抽象后建立其物理系統(tǒng)模型。勢函數(shù)的選取也十分重要，勢函數(shù)是描述粒子間相互作用的函數(shù)，直接影響著模擬過程中對分子間作用力，粒子速度、位置及勢能的計算。物理系統(tǒng)中粒子的初始位置應(yīng)當(dāng)根據(jù)實際模型進(jìn)行設(shè)置，以便于使系統(tǒng)盡快達(dá)到平衡，粒子的初始速度也應(yīng)設(shè)置為與實際模型中粒子的速度相當(dāng)，以便于減少計算機(jī)運(yùn)算量、縮短模擬時間。

2 納米線材料研究進(jìn)展

納米線是指寬度為納米尺度（直徑小于100nm），長度無限制的線?？梢杂山饘?、絕緣體以及半導(dǎo)體等不同材料構(gòu)成。用金屬納米線制作超小電路是納米技術(shù)中的一項重要應(yīng)用。銀納米線和銅納米線由于優(yōu)異的導(dǎo)電性、延展性和易于合成的特點成為透明或柔性電子器件的主要材料。銅和銀的導(dǎo)電性能和導(dǎo)熱性能十分相近，但價格懸殊，銅的價格約為銀的1/86，且銀相對于銅具有良好的氧化穩(wěn)定性。為綜合二者的性能優(yōu)點，通過將銀原子沉積于銅納米線表面形成的合金納米線有望成為該領(lǐng)域的理想材料[2-5]。

近年來，雙金屬核殼結(jié)構(gòu)納米線的制備及其性能研究引起了越來越多研究者的關(guān)注[6-7]。相較傳統(tǒng)納米線，雙金屬核殼結(jié)構(gòu)納米線有著特殊的電子、催化和光學(xué)性能，不僅能保持核殼金屬材料本身的物理化學(xué)性質(zhì)，而且還可以產(chǎn)生一些獨(dú)特的性能。

銀納米線和銅納米線由于優(yōu)異的導(dǎo)電性、延展性和易于合成的特點成為透明或柔性電子器件的主要材料。在銅納米線基體表面包覆銀殼層構(gòu)成的銅/銀核殼結(jié)構(gòu)納米線可同時克服銀納米線的高成本及銅納米線的易氧化問題，能夠以其優(yōu)秀的透光率、導(dǎo)電性等性質(zhì)，在透明導(dǎo)電電極、柔性太陽能電池等新技術(shù)中得到廣泛的應(yīng)用[2-5，8]。

3 銅/銀核殼納米線焊接方法的探討

研究銅/銀核殼納米線連接性能的主要步驟可分為模型的建立、數(shù)據(jù)模擬計算和實驗數(shù)據(jù)的分析。

3.1 建模過程

近年來，隨著納米材料在各領(lǐng)域的飛速發(fā)展，納米材料成型方法及連接工藝過程正逐漸成為研究熱點。作為傳統(tǒng)的材料成型方法之一，納米焊接為“自下而上（bottom up）”的納米制造，尤其是納米線互連網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建開辟了新的途徑[9，10]。目前，金屬納米線的連接機(jī)理和焊接工藝過程的探討尚處于起步階段。Tohmyoh等[11]通過納米操作臺，將納米Pt絲與Au絲搭接后直接通入直流電，由于接觸的區(qū)域很小，接觸電阻很高，通入4.5 mA的電流，局部電阻熱使接觸點熔化，隨后凝固，將納米線焊接在一起。CUI等[12]通過分子動力學(xué)模擬方法將直徑為2nm的不同長度交叉銀納米線之間進(jìn)行連接，揭示了基于熱效應(yīng)的納米連接機(jī)制。LIU等[13]采用室溫下冷焊技術(shù)實現(xiàn)了銀納米線的焊接，在維持其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的同時提高其導(dǎo)電性和機(jī)械性能。

然而，現(xiàn)有文獻(xiàn)中鮮有對合金納米線焊接工藝的研究成果，合金納米線連接工藝存在實驗條件苛刻、連接過程不易觀測等問題。分子動力學(xué)模擬不僅研究成本相對低廉，還可以直觀反映連接過程中的結(jié)構(gòu)演變過程，現(xiàn)在分子動力學(xué)模擬已經(jīng)成了當(dāng)今納米科學(xué)研究的主要手段之一，受到了國內(nèi)外廣大學(xué)者的青睞。本項目依托分子動力學(xué)模擬軟件包LAMMPS對不同殼層厚度的銅-銀合金納米線焊接成型過程進(jìn)行模擬，并探討不同納米線規(guī)格、壓力及溫度參數(shù)等對焊接過程的影響，通過對接頭進(jìn)行結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能等多方面的模擬測試，得出該結(jié)構(gòu)納米線最合適的焊接工藝參數(shù)，為納米互連工藝以及合金納米線連接成型奠定研究基礎(chǔ)。