銅/銀核殼結構納米線連接的分子動力學模擬研究

魏英博，房冉冉

摘要：銅/銀核殼結構納米線可在保持優秀透光率和導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、化學傳感等柔性光電器件領域應用前景十分廣闊。然而，銅/銀核殼結構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下納米線結構的穩定性、結構演變過程及接頭的力學性能是實現其制備應用的一個關鍵問題。本文通過分子動力學模擬方法，更好地把銅/銀核殼結構納米線焊接的微觀過程展現出來，并討論了通過分子動力學模擬來探究銅/銀核殼結構納米線焊接最佳工藝參數的方法。

關鍵詞：納米線;銅/銀核殼結構納米線;分子動力學模擬;LAMMPS

中圖分類號：TP391? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）21-0172-03

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

分子動力學模擬是一項將數學，物理和化學結合在一起的綜合性技術，依托牛頓力學模擬分子體系的運動，以便于在模擬出的不同狀態系統中抽取樣本，計算出體系的構型積分，并根據結果進一步計算得到體系的熱力學量等宏觀性質。通過分子動力學模擬的方法可以對實驗過程進行的原理及規律從原子（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，更經濟，更有預見性的方向發展，這些優點都是實際實驗所不具備的。

1 分子動力學基本原理

分子動力學模擬的基本原理是將原子和分子視作粒子系統，從系統的某一假定位能模型出發，并假定系統中粒子的運動遵循牛頓第二定律，用勢函數當作牛頓第二定律中的力，求解出運動方程，進而用差分法計算得到系統的熱力學參數、結構和力學性能等。能夠通過體系的微觀性質運算得到其宏觀性質，更加直觀地展現出系統中粒子的變換過程[1]。在研究納米線焊接工藝及其結構性能的過程中，進行分子動力學模擬的過程如下：

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/銀核殼結構納米線焊接模型，并通過能量最小化和弛豫得到穩定結構模型。

焊接成型及結構演變過程：

對不同溫度及壓力加載速度工藝參數下的焊接過程進行模擬，采用原子組態圖、原子位移、徑向分布函數等手段揭示結構演變過程。

對接接頭的力學性能測試：

利用LAMMPS軟件包對焊接接頭進行單向拉伸，得到接頭的應力應變曲線。

總結最優的焊接工藝參數：

通過對比接頭結構以及力學性能，選擇對接焊接銅/銀核殼結構納米線的最佳工藝參數。

進行分子動力學模擬的首要環節是建立模型，通過將實際模型抽象后建立其物理系統模型。勢函數的選取也十分重要，勢函數是描述粒子間相互作用的函數，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。物理系統中粒子的初始位置應當根據實際模型進行設置，以便于使系統盡快達到平衡，粒子的初始速度也應設置為與實際模型中粒子的速度相當，以便于減少計算機運算量、縮短模擬時間。

2 納米線材料研究進展

納米線是指寬度為納米尺度（直徑小于100nm），長度無限制的線。可以由金屬、絕緣體以及半導體等不同材料構成。用金屬納米線制作超小電路是納米技術中的一項重要應用。銀納米線和銅納米線由于優異的導電性、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。銅和銀的導電性能和導熱性能十分相近，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定性。為綜合二者的性能優點，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域的理想材料[2-5]。

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

銀納米線和銅納米線由于優異的導電性、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成的銅/銀核殼結構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，能夠以其優秀的透光率、導電性等性質，在透明導電電極、柔性太陽能電池等新技術中得到廣泛的應用[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、數據模擬計算和實驗數據的分析。

3.1 建模過程

近年來，隨著納米材料在各領域的飛速發展，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絡的構建開辟了新的途徑[9，10]。目前，金屬納米線的連接機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]通過分子動力學模擬方法將直徑為2nm的不同長度交叉銀納米線之間進行連接，揭示了基于熱效應的納米連接機制。LIU等[13]采用室溫下冷焊技術實現了銀納米線的焊接，在維持其結構穩定性的同時提高其導電性和機械性能。

然而，現有文獻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構演變過程，現在分子動力學模擬已經成了當今納米科學研究的主要手段之一，受到了國內外廣大學者的青睞。本項目依托分子動力學模擬軟件包LAMMPS對不同殼層厚度的銅-銀合金納米線焊接成型過程進行模擬，并探討不同納米線規格、壓力及溫度參數等對焊接過程的影響，通過對接頭進行結構和力學性能等多方面的模擬測試，得出該結構納米線最合適的焊接工藝參數，為納米互連工藝以及合金納米線連接成型奠定研究基礎。