硅納米線連接的分子動力學模擬研究

戰祥悌 房冉冉 王維

摘要：硅納米線是一種新型的材料，在鋰電池、太陽能電池、微電子等方面有著廣泛的應用。硅納米線的連接技術是硅納米線制造的關鍵技術之一，近年來國內外學者通過不同的方法對硅納米線的連接技術進行了研究。但是在實體實驗中，很難觀察到硅納米線連接過程中的微觀變化，而分子動力學模擬方法，卻能夠很好地把硅納米線的連接微觀過程展現出來。本文綜述了分子動力學模擬近幾年的進展情況，并討論了通過分子動力學模擬的方法探究硅納米線連接最佳工藝參數的方法。

關鍵詞：納米線;硅納米線;分子動力學模擬;LAMMPS

中圖分類號：TN304

文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）04-0272-02

收稿日期：2019-10-25

作者簡介：戰祥悌（1999—），男，山東日照人，本科，研究方向為材料微觀結構及性能;通訊作者：房冉冉（1989—），女，山東菏澤人，碩士研究生，講師，研究方向為材料微觀結構及性能材料成型數值模擬;王維（1989—），女，陜西人，碩士，講師，研究方向為材料表面改性。

分子動力學模擬是近幾年迅速發展起來的一種分子模擬技術，它以牛頓力學、量子力學、統計力學為理論基礎，依托當今計算機強大的計算能力，對特定條件下的分子體系進行計算。得到該分子體系中各粒子的速度、位移、勢能等重要信息。最后再對這些重要數據進行分析總結，以達到研究整個分子系統的變換規律的目的。另外分子動力學最為迷人的地方在于它能夠從分子的角度展現出整個體系的變換過程，這是實際實：驗無法達到的。

1 分子動力學基本原理

分子動力學基本原理是牛頓第二定律，將分子看成獨立的粒子，用勢函數當作牛頓第二定律中的力，通過差分法計算出粒子的速度、位移、勢能等信息的研究工具。它不同于普通實驗的是，分子動力學方法能夠很好地從分子角度反映物質演變的過程和本質。

勢函數用來描述分子之間的作用力，在勢函數的作用下就能通過牛頓第二定律計算出原子的運動軌跡，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——時間，單位S

依次對每個粒子的受力情況進行計算，再用差分法求的每個瞬態粒子的狀態，然后依靠統計力學理論獲得內部原子的運動信息，進而得到該實驗條件下整體的變化過程，從本質上對物質行為做出解釋。[2]

隨著計算機處理器計算速度的提高以及大規模并行計算架構的發展，計算機為分子動力學提供了更加強大的計算能力，在近幾年的發展過程當中，也早已成為材料科學鄰域重要

的研究手段。

2 納米線連接分子動力學模擬的進展

材料連接是材料加工過程中非常重要的技術，連接質量的好壞直接影響到產品的質量。近幾年納米線蓬勃發展，在很多領域展現出了獨特的優越性能，所以說發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，長度無限制的一維納米材料。根據組成成分的不同可以將納米線分為金屬納米線、半導體納米線及絕緣體納米線。納米線的連接機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理，更好地為納米線焊接工藝奠定基礎，分子動力學模擬方法在納米線連接研究過程中大放異彩。

CUI等[4]就是利用分子動力方法對直徑為2nm長度不同的交叉Ag納米線的鏈接進行了模擬研究。研究表明，在溫度較高時，納米線的連接處結構遭到了嚴重的破壞。在溫度低于300K時納米線可部分連接。揭示了冷熱焊對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納米線的冷焊過程，研究表明，在冷焊接過程中，納米線的缺陷很少。在焊接過程中，應力張量平均值比較小，并伴有張力和松弛階段的振蕩，且反應的發生需要以后個較小的壓力。實驗表明冷焊接兩種不同的金屬納米線是可能的，對于Ag-Au冷焊納米線，在拉伸過程中，當達到抗拉強度時，在遠離焊接區域斷裂，此說明納米線連接區域的強度時過關的。

郝龍虎等[6]人利用分子動力學模擬的方法，對孿晶界平行于縱軸方向的Cu納米線的力學性能進行了探究。他們發現納米線的屈服應力隨孿晶厚度的減小而不斷增大，實驗結果表明孿晶厚度的減小對孿晶結構的Cu納米線的強度具有顯著的強化效果。

不管是在國內還是國外分子動力學模擬方法以他強大的優勢正在不斷地推動著納米線等各領域不斷地向前發展。

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程主要分為建立模型、模擬計算、實驗數據的分析。

3.1 建模過程

硅納米線作為一種新型的低緯度納米材料，因其在鋰電池、太陽能電池、微電子等方面有非常廣闊的應用前景，自硅納米線進人人們視野中以來就備受關注。對硅納米線的制備的研究早已取得突破性進展。目前硅納米線的制備方法主要包括激光燒灼法、化學氣相沉積法、熱氣相沉積法、溶液法等。生長機理有VLS生長機理、SLS生長機理、氧化物輔助生長機理等。[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、長度為1μum的硅納米線。在這里考慮到如果構建尺寸較大的硅納米線，計算量巨大。所以，根據LAMMPS的計算能力我們選用3～5nm、長度為30nm的硅納米線進行研究。根據硅納米線的具體應用納米線的頭對頭連接是一種最為基本的連接方式。所以，本實驗只要研究硅納米線的多對頭連接過程。

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。納米線長度統一采用30nm。我們采用頭對頭的連接方式，將兩納米線的間距設置為4A。如圖1所示：

LAMMPS將建好的納米線放置于盒子當中，在LAMMPS當中邊界條件有周期性邊界、非周期性邊界，因為本實驗是要將硅納米線的兩端進行連接。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方向上運動，允許其他硅原子自由擴散。

3.2 直徑工藝參數對硅納米線連接的影響

對于同等長度的納米線，在同等溫度下進行連接，直徑成為影響納米線連接質量的重要因素。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。

硅納米線在未來微電子工藝方面前景廣闊，所以研究不同直徑對連接的影響顯得尤為重要。在LAMMPS當中我們選擇溫度為1450K，納米線長度30nm將實驗分為三組，變量為直徑，分別為3nm、4nm、5nm。

3.3 溫度工藝參數對硅納米線連接的影響

目前來說納米線連接的方法主要有激光法、超聲法等。其主要區別主要存在于提供加熱條件的不同。根據硅納米線的熔點我們選擇1300K、1350K、1400K、1450K、1500K、1550K的溫度梯隊，對直徑為4nm的硅納米線那進行連接模擬。

3.4 實驗結果分析方法

因為納米線在實際用工當中，總會有不可避免的跌落、震動等威脅到納米線的結構穩定性，所以要對連接完成的硅納米新進行強度的檢測。

本實驗不僅在LAMMPS中對納米線的連接過程進行計算，分析連接過程的結構演變過程，并對連接完成的納米線進行拉斷模擬，計算其應力應變曲線。在LAMMPS中我們在納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度。

4 總結

硅納米線在太陽能電池、新型鋰電池、微電子等領域應用前進廣闊，備受國內外學者的重視。本文簡介了分子動力學模擬的基本原理及其在納米線連接等鄰域的發展情況，并使用分子動力學方法LAMMPS對探究不同條件下硅納米線連接的模擬方法進行了探討，通過此例展現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識了分子動力學研究方法，也展現出分子動力學模擬的魅力。

參考文獻：

[1]高銘.硅納米線鋰離子電池負極材料制備及其電化學性能[D].大連：大連理工大學，2018.

[2]賀曉斌.金屬納米線連接分子動力學模擬[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2013.

[3]李紅，袁俊麗栗卓新，等.納米連接過程的分子動力學模擬研究進展[J].中國機械工程，2019，30（4）：486-493.

[4]Cui J L，Wang X W，Barayavuga T，et al.Nanojoining of crossed Ag nanowires：a molecular dynamics study[J].Journal ofNanoparticle Research，2016，18（7）：175.

[5]Pereira Z S，da Silva E Z.Cold welding of gold and silver nanowires：a molecular dynamics study[J].The Journal of Physical Chemistry C，201 1，1 15（46）：22870-22876.

[6]郝龍虎，黃銘，盧艷，等.李晶結構Cu納米線塑性變形機制的分子動力學模擬研究[J].電子顯微學報，2019，38（4）：321-328.

[7]裴立宅，唐元洪.硅納米線的制備與生長機理[J].材料科學與工程學報，2004，22（6）：922-928.

[8]Morales A M，Lieber C M.A laser ablation method for the synthesis of crystalline semiconductor nanowires[J].Science，1998，279（5348）：208-211.

[通聯編輯：張薇]