硅纳米线连接的分子动力学模拟研究
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摘要：硅纳米线是一种新型的材料，在锂电池、太阳能电池、微电子等方面有着广泛的应用。硅纳米线的连接技术是硅纳米线制造的关键技术之一，近年来国内外学者通过不同的方法对硅纳米线的连接技术进行了研究。但是在实体实验中，很难观察到硅纳米线连接过程中的微观变化，而分子动力学模拟方法，却能够很好地把硅纳米线的连接微观过程展现出来。本文综述了分子动力学模拟近几年的进展情况，并讨论了通过分子动力学模拟的方法探究硅纳米线连接最佳工艺参数的方法。
关键词：纳米线;硅纳米线;分子动力学模拟;LAMMPS
中图分类号：TN304
文献标识码：A
文章编号：1009-3044（2020）04-0272-02
收稿日期：2019-10-25
作者简介：战祥悌（1999—），男，山東日照人，本科，研究方向为材料微观结构及性能;通讯作者：房冉冉（1989—），女，山东菏泽人，硕士研究生，讲师，研究方向为材料微观结构及性能材料成型数值模拟;王维（1989—），女，陕西人，硕士，讲师，研究方向为材料表面改性。
分子动力学模拟是近几年迅速发展起来的一种分子模拟技术，它以牛顿力学、量子力学、统计力学为理论基础，依托当今计算机强大的计算能力，对特定条件下的分子体系进行计算。得到该分子体系中各粒子的速度、位移、势能等重要信息。最后再对这些重要数据进行分析总结，以达到研究整个分子系统的变换规律的目的。另外分子动力学最为迷人的地方在于它能够从分子的角度展现出整个体系的变换过程，这是实际实：验无法达到的。
1 分子动力学基本原理
分子动力学基本原理是牛顿第二定律，将分子看成独立的粒子，用势函数当作牛顿第二定律中的力，通过差分法计算出粒子的速度、位移、势能等信息的研究工具。它不同于普通实验的是，分子动力学方法能够很好地从分子角度反映物质演变的过程和本质。
势函数用来描述分子之间的作用力，在势函数的作用下就能通过牛顿第二定律计算出原子的运动轨迹，牛顿第二定律公式如下：
F=m*d2r/dt2
式中F——所受的外力，单位N
r——分子的位移，单位M
t——时间，单位S
依次对每个粒子的受力情况进行计算，再用差分法求的每个瞬态粒子的状态，然后依靠统计力学理论获得内部原子的运动信息，进而得到该实验条件下整体的变化过程，从本质上对物质行为做出解释。[2]
随着计算机处理器计算速度的提高以及大规模并行计算架构的发展，计算机为分子动力学提供了更加强大的计算能力，在近几年的发展过程当中，也早已成为材料科学邻域重要
的研究手段。
2 纳米线连接分子动力学模拟的进展
材料连接是材料加工过程中非常重要的技术，连接质量的好坏直接影响到产品的质量。近几年纳米线蓬勃发展，在很多领域展现出了独特的优越性能，所以说发展纳米线的连接显得尤为重要。[3]
纳米线是指直径在100nm之下，长度无限制的一维纳米材料。根据组成成分的不同可以将纳米线分为金属纳米线、半导体纳米线及绝缘体纳米线。纳米线的连接机理和宏观焊接存在着巨大的差异。为了能够从分子角度反映出纳米线连接的机理，更好地为纳米线焊接工艺奠定基础，分子动力学模拟方法在纳米线连接研究过程中大放异彩。
CUI等[4]就是利用分子动力方法对直径为2nm长度不同的交叉Ag纳米线的链接进行了模拟研究。研究表明，在温度较高时，纳米线的连接处结构遭到了严重的破坏。在温度低于300K时纳米线可部分连接。揭示了冷热焊对Ag纳米线焊接的影响。
PEREIRA等l模拟了300k下直径为4.3nm的Au、Ag、Ag-Au纳米线的冷焊过程，研究表明，在冷焊接过程中，纳米线的缺陷很少。在焊接过程中，应力张量平均值比较小，并伴有张力和松弛阶段的振荡，且反应的发生需要以后个较小的压力。实验表明冷焊接两种不同的金属纳米线是可能的，对于Ag-Au冷焊纳米线，在拉伸过程中，当达到抗拉强度时，在远离焊接区域断裂，此说明纳米线连接区域的强度时过关的。
郝龙虎等[6]人利用分子动力学模拟的方法，对孪晶界平行于纵轴方向的Cu纳米线的力学性能进行了探究。他们发现纳米线的屈服应力随孪晶厚度的减小而不断增大，实验结果表明孪晶厚度的减小对孪晶结构的Cu纳米线的强度具有显著的强化效果。
不管是在国内还是国外分子动力学模拟方法以他强大的优势正在不断地推动着纳米线等各领域不断地向前发展。
3 模拟硅纳米线连接方法的探讨
研究硅纳米线按的链接过程主要分为建立模型、模拟计算、实验数据的分析。
3.1 建模过程
硅纳米线作为一种新型的低纬度纳米材料，因其在锂电池、太阳能电池、微电子等方面有非常广阔的应用前景，自硅纳米线进人人们视野中以来就备受关注。对硅纳米线的制备的研究早已取得突破性进展。目前硅纳米线的制备方法主要包括激光烧灼法、化学气相沉积法、热气相沉积法、溶液法等。生长机理有VLS生长机理、SLS生长机理、氧化物辅助生长机理等。[7]
Lieber等人[8]，使用催化剂Au，参考Au-Si二相图，在370～500摄氏度下制的了直径为3～15nm、长度为1μum的硅纳米线。在这里考虑到如果构建尺寸较大的硅纳米线，计算量巨大。所以，根据LAMMPS的计算能力我们选用3～5nm、长度为30nm的硅纳米线进行研究。根据硅纳米线的具体应用纳米线的头对头连接是一种最为基本的连接方式。所以，本实验只要研究硅纳米线的多对头连接过程。
我们使用的建模软件是Materials Studio。分别建立直径为3nm、4nm、5nm的硅纳米线模型。纳米线长度统一采用30nm。我们采用头对头的连接方式，将两纳米线的间距设置为4A。如图1所示： LAMMPS将建好的纳米线放置于盒子当中，在LAMMPS当中边界条件有周期性边界、非周期性边界，因为本实验是要将硅纳米线的两端进行连接。所以，我们选用非周期性边界。将硅纳米线下端完全固定，上端只允许在Z方向上运动，允许其他硅原子自由扩散。
3.2 直径工艺参数对硅纳米线连接的影响
对于同等长度的纳米线，在同等温度下进行连接，直径成为影响纳米线连接质量的重要因素。直径越小表面能就越大，就越容易吸引原子，就越容易形成连接;反之直径越大就越不容易吸引原子，越不容易形成连接。
硅納米线在未来微电子工艺方面前景广阔，所以研究不同直径对连接的影响显得尤为重要。在LAMMPS当中我们选择温度为1450K，纳米线长度30nm将实验分为三组，变量为直径，分别为3nm、4nm、5nm。
3.3 温度工艺参数对硅纳米线连接的影响
目前来说纳米线连接的方法主要有激光法、超声法等。其主要区别主要存在于提供加热条件的不同。根据硅纳米线的熔点我们选择1300K、1350K、1400K、1450K、1500K、1550K的温度梯队，对直径为4nm的硅纳米线那进行连接模拟。
3.4 实验结果分析方法
因为纳米线在实际用工当中，总会有不可避免的跌落、震动等威胁到纳米线的结构稳定性，所以要对连接完成的硅纳米新进行强度的检测。
本实验不仅在LAMMPS中对纳米线的连接过程进行计算，分析连接过程的结构演变过程，并对连接完成的纳米线进行拉断模拟，计算其应力应变曲线。在LAMMPS中我们在纳米线两端施加载荷直至纳米线被拉断。这样就能得到不同条件下纳米线连接的强度。
4 总结
硅纳米线在太阳能电池、新型锂电池、微电子等领域应用前进广阔，备受国内外学者的重视。本文简介了分子动力学模拟的基本原理及其在纳米线连接等邻域的发展情况，并使用分子动力学方法LAMMPS对探究不同条件下硅纳米线连接的模拟方法进行了探讨，通过此例展现出了硅纳米线连接模拟的具体方法步骤，让读者更加清晰的认识了分子动力学研究方法，也展现出分子动力学模拟的魅力。
参考文献：
[1]高铭.硅纳米线锂离子电池负极材料制备及其电化学性能[D].大连：大连理工大学，2018.
[2]贺晓斌.金属纳米线连接分子动力学模拟[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2013.
[3]李红，袁俊丽栗卓新，等.纳米连接过程的分子动力学模拟研究进展[J].中国机械工程，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]郝龙虎，黄铭，卢艳，等.李晶结构Cu纳米线塑性变形机制的分子动力学模拟研究[J].电子显微学报，2019，38（4）：321-328.
[7]裴立宅，唐元洪.硅纳米线的制备与生长机理[J].材料科学与工程学报，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.
[通联编辑：张薇]
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