基于分子動(dòng)力學(xué)的納米焊接技術(shù)的模擬研究.pdf

1、碳納米管（CNT）自從1991年由飯島澄男博士發(fā)現(xiàn)后，由于其獨(dú)特的一維納米結(jié)構(gòu)和優(yōu)良的電學(xué)、熱學(xué)、力學(xué)等特性立刻引起了廣大科研人員的關(guān)注。利用碳納米管制造的納米電子器件具有尺寸小、速度高、功耗少和造價(jià)低等優(yōu)勢(shì)，它將成為后摩爾時(shí)代取代硅材料的重要電子材料。然而，利用碳納米管制造納米電子器件面臨著許多技術(shù)難題，碳納米管與金屬電極之間的連接就是制造碳納米管電子器件難以克服的眾多技術(shù)難題之一。納米焊接技術(shù)能夠有效地解決這一難題，但是碳納米管尺寸

2、小屬于介觀尺度研究范圍，對(duì)其進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作非常困難，模擬研究可以在此發(fā)揮巨大的作用。模擬研究可以高度預(yù)測(cè)焊接結(jié)構(gòu)的物理和化學(xué)性能，形象地解釋結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的關(guān)系，并且可以展現(xiàn)出實(shí)驗(yàn)中一些無(wú)法觀察到的現(xiàn)象，對(duì)減少實(shí)驗(yàn)工作量、指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)、提高研究準(zhǔn)確性都是大有幫助的。
　　本文建立了碳納米管與金屬電極垂直互連的分子動(dòng)力學(xué)模型，研究了在高溫條件作用下影響焊接界面結(jié)構(gòu)的主要因素，并針對(duì)性地提出適合碳納米管與金屬互連的有效方法。主要研究?jī)?nèi)容包括：<

3、br>　?。?）首先建立鋸齒型碳納米管與鎳（Ni）電極的納米焊接分子動(dòng)力學(xué)模型，仿真結(jié)果表明：高溫作用下碳納米管與Ni電極納米焊接的主要物理機(jī)制包括金屬電極表層原子熔化和金屬原子受到碳納米管吸引附著其外壁表面。焊接界面結(jié)構(gòu)主要包括兩種形式：一種是金屬原子填充大直徑碳納米管內(nèi)部形成連續(xù)的金屬納米線；一種是金屬原子包裹在碳納米管外壁。溫度有助于焊接界面的形成，溫度越高焊接界面接觸長(zhǎng)度越長(zhǎng)，并且由于金屬電極表層原子的熔化，使得納米焊接過(guò)程可以

4、在低于金屬熔點(diǎn)的溫度下進(jìn)行。相同溫度條件下，與金屬原子包裹碳納米管外壁相比，金屬原子在大直徑碳納米管內(nèi)部形成連續(xù)金屬納米線所需的時(shí)間較短；當(dāng)加熱時(shí)間達(dá)到一定值后，焊接界面接觸長(zhǎng)度逐漸趨于穩(wěn)定。碳納米管直徑是影響焊接界面結(jié)構(gòu)的主要因素，大直徑的碳納米管更容易在低溫條件下實(shí)現(xiàn)與金屬電極的互連，如果碳納米管直徑過(guò)小，金屬原子無(wú)法進(jìn)入其內(nèi)部形成金屬納米線。
　?。?）為了探究碳納米管類型對(duì)焊接界面的影響，分別考慮了手性型碳納米管和扶手椅型

5、碳納米管與鎳電極的納米焊接過(guò)程。結(jié)果表明碳納米管類型不是影響焊接界面結(jié)構(gòu)的主要因素。冷卻對(duì)CNT-Ni焊接界面結(jié)構(gòu)影響較小，冷卻速度越快焊接界面接觸長(zhǎng)度變化越小。
　　(3)通過(guò)模擬研究碳納米管與鉑（Pt）電極的高溫焊接過(guò)程，結(jié)果表明金屬電極本身屬性是影響焊接界面結(jié)構(gòu)的重要因素。碳納米管與Pt電極納米焊接的主要物理機(jī)制是Pt電極表層金屬熔化，金屬電極與碳納米管焊接界面結(jié)構(gòu)取決于碳納米管對(duì)該金屬原子的吸附力與金屬原子間聚合力之比。<