金与铂纳米线惰性气体氛围中连接部位形变过程和热学稳
定性
郭纪源,李 莉,魏 炜
【摘 要】 纳机电器件与系统的快速发展,吸引了人们对金属纳米线连接技术及其连接机理进行研究．文中采用Monte Carlo方法,对金与铂纳米线在惰性气体氛围中的头对头、边对边和头对边3种连接模型进行了连接部位界面结构形变过程和热学稳定性模拟研究．研究发现,同种连接模型中,连接部位界面结构具有相似的形变过程,惰性气体原子数密度大时,连接部位界面结构具有更好的热学稳定性;不同连接模型中,连接部位界面结构形变过程不同,同条件下,头对边模型界面结构具有最好的热学稳定性;惰性气体原子对各种模型界面结构的形变过程影响不大,但能提高界面结构的热学稳定性．研究结果为理解金属纳米线在惰性气体氛围中连接处界面结构的形成机理及其热学稳定性提供了理论参考． 【期刊名称】江苏科技大学学报（自然科学版） 【年(卷),期】2018(032)001 【总页数】8
【关键词】 纳米连接;Monte Carlo方法;界面结构;热学稳定性
当前自下而上的自组装技术,在物理、化学、材料和生物等领域所对应的微纳尺度正构建出各式各样的功能器件[1-3]．连接,无论在宏观、微观还是纳米尺度,都是产品制造和组装过程的重要部分,具有机械耦合和支持、电气连接或绝缘、环境保护等功能[4]．随着人们对纳米尺度电学、光学和磁学及其相关机械器件系统的研究,纳米尺度连接技术已经成为架构纳米系统和实现纳米器件功能的关键技术[4-5]．
近年来,人们已经成功实现了金属纳米线[6-7]、碳纳米管[8-9]、金属/半导体和碳纳米管[10-11]、金属/半导体/和陶瓷纳米线[12-13]以及多种纳米颗粒[14-15]之间的连接．借此,也发展了适合于纳米尺度的各种连接技术,包括:电学焦耳热[6]、冷焊接[7]、离子束沉积[8]、高能电子束轰击[12]、烧结[14]、热学处理[16]、激光辐照[17]及超声焊接[18]等,这些连接技术中除了低温固相扩散连接之外,都有连接部位的局部热处理过程．热处理过程决定了连接部位的结构,而经过热处理的连接部位影响着器件的性质属性．目前,有关纳米尺度连接部位结构演化的研究报道还不多．实验上,原子尺度的原位观察,对实验设备要求很高,文献[19]中借助皮米分辨的高分辨透射电子显微镜,对Al-Cu纳米棒异质界面处原子扩散和电漂移情况做了详细研究报道．文献[20]中从实验和计算机模拟两个角度对金属纳米材料在连接过程中的界面选择机制进行了报道．文献[21]中采用分子动力学方法,在文献[7]的基础上进行了Au和Ag纳米线在冷焊接条件下的连接模拟以及拉断和再连接模拟，发现冷焊接条件下,连接部位由于原子扩散、表面弛豫和原子重构等机制,仍然可以较好保持材料的晶体结构特性;文献[22]中则对比研究了温度对Au、Ag和Cu 3种金属在固相压焊过程中连接强度的影响;文献[23]中研究了碳纳米管和金属纳米颗粒连接部位的负载-变形过程．然而,连接部位在复杂环境下的构型演化机制和连接界面处原子活动位置的选择机制仍然不是十分清楚;纳米连接后,界面结构的各种条件下的热学稳定性也是目前十分关注的问题．
Au和Pt纳米线都具有优良的电学特性,它们被广泛用于半导体器件的电极及各种纳光电器件的互连中[6-7]．块体材料中Pt金属具有高达2 041.4 K的熔点,而Au的熔点为1 337.3 K.文中研究选择这两种材料,一方面期望研究两种不同
材料之间的界面连接;另一方面期望研究温度变化时异种材料连接界面的结构演化及断裂点部位．宏观尺度焊接类型中常见惰性气体保护焊.惰性气体不与液态金属发生冶金反应,具有保护焊接区使之与空气隔离的作用,对焊缝金属的保护效果好,在焊接金属中极少混入杂质,从而能取得高质量的焊接结果，实现任何形式的接头焊接,焊接姿态不受限制，并能减少热量损失,提高热量使用效率,减少热输入等[24]．常用的惰性气体是Ar气和He气．已有的实验和模拟研究报道中[7-8,19,21],金属连接的环境都调整为真空．惰性气体氛围对纳米尺度金属连接的界面结构连接机理有什么样的影响未见报道．为了研究异种金属之间互连界面结构在变化环境中结构演化,文中将Au和Pt纳米线的互连及热学稳定性研究过程置于不同数密度的Ar气原子氛围中．模拟方法可更方便实时观察原子的运动状况，更容易调整研究的环境参数;原子尺度的模拟方法中,分子动力学方法和Monte Carlo方法都需要计算系统能量,并在系统能量平衡时再计算其他物理量,而与分子动力学方法相比,Monte Carlo方法虽然没有直接表示时间的物理量,但是它采用的抽样方法具有更高的程序运行效率．基于前面的分析,文中采用Monte Carlo方法从原子尺度对铂与金纳米线在惰性气体氛围中的头对头、边对边和头对边3种连接模型进行了连接部位形变过程和热学稳定性模拟研究．重点讨论了惰性气体氛围中两纳米线连接过程中连接部位的形变过程及该氛围中异种金属间连接部位的热学稳定性．
1 模型与计算方法
1.1 初始模型
已有的实验研究报道中,不同晶体取向([100]、[110]和 [111]晶向)的Au纳米线都已经比较容易制备[25-27],Au和Pt都是面心立方晶体结构,文中模拟所用的
金与铂纳米线惰性气体氛围中连接部位形变过程和热学稳定性
