银纳米材料特性及其等离子激元连接机理研究

发布时间：2020-09-07 20:01

　　 利用纳米制造技术来实现新一代电子器件制造是突破摩尔定律描述的物理极限问题的一个前沿课题,而充分了解纳米材料特性和准确掌握纳米材料连接方法是纳米制造技术的两个重要内容。银纳米材料具有力、光、电,磁和热等方面的优异特性,被广泛关注并应用于微电子器件的制备。鉴于当前研究银纳米材料特性及其连接方法正处于实验研究阶段,本文采用分子动力学方法进一步深入研究银纳米材料的力学和热力学特性,并采用基于分子动力学的无网格方法研究银纳米材料的等离子激元连接过程与机理。(1)采用分子动力学方法对一系列不同长度的五重孪晶银纳米线实施拉伸模拟实验,发现了断口形态与断裂模式的相关性,揭示了银纳米线拉伸失效过程的原子行为与机理。研究发现,长纳米线发生脆性断裂,并产生较长的断口尺寸和锥形断口形态;短纳米线发生延性失效,而产生更小的断口尺寸和带凹坑的断面形态。对拉伸过程中的原子行为分析表明,五重孪晶银纳米线的拉伸失效过程由多种机理控制:短纳米线的失效机理是第一阶段的稳定位错成核到第二阶段的孔隙扩展辅助的稳定位错运动;长纳米线的断裂机理分别是第一阶段的不稳定位错成核和第二阶段的快速颈缩断裂。此外,提出了预测纳米线断裂模式的数学模型,计算结果能够准确预测分子模拟与文献实验测量结果。该模型不仅适用于缩颈方式失效的纳米线,还适用于以滑移带方式断裂的情况。(2)研究了银纳米材料尺寸相关的热力学熔化行为及其机理。采用原子结构特征和原子键涨落信息,并结合提出的归一化“林德曼指数”方法,验证了银纳米颗粒“熔点下降”的尺寸效应,得到了尺寸相关的熔化模式。从原子物态的角度,分析了银纳米颗粒熔化过程中原子物态的演变过程,揭示了不同熔化模式下的原子熔化行为与本质。进一步研究发现,较小银纳米颗粒的热不稳定性是导致固-固转变现象发生的原因,而较大银纳米颗粒表面各种晶体学面片存在不同的熔化特性。研究还验证了银纳米颗粒固液界面的形成及其运动是由热激活产生的“点缺陷”所造成的结果。此外,还分析了不同晶体结构银纳米线的熔化过程及其瑞利不稳定性。(3)研究了基于等离子激元光-热效应的银纳米颗粒连接行为规律与机理。首先,采用有限元方法定性分析了光电场中银单纳米颗粒/双球纳米颗粒的光谱分布、光-热效应、局部电场增强和热点分布,得到了银纳米颗粒与光电场之间相互作用的特点。然后,通过引入自适应能量转换因子,改进了局部双温模型的分子动力学计算方法,实现了银纳米颗粒电子和晶格的热传导过程以及能量转换的稳定求解过程,解决了纳米材料的无网格多物理场耦合求解问题。最后,对双球银纳米颗粒进行了等离子激元连接模拟,结果表明电子子系统的热导率对晶格子系统的温度变化过程的影响可以忽略不计;光通量大小对纳米颗粒连接行为有显著的影响;在飞秒到几个皮秒的脉冲宽度范围内,银纳米颗粒连接过程与脉冲宽度大小没有显著的相关性;在大于数皮秒的脉冲宽度下,脉冲宽度越大纳米颗粒的连接过程越滞后,而连接结果基本一致。(4)研究了同轴五重孪晶和单晶银纳米线基于等离子激元光-热效应的连接过程,揭示了不同条件下纳米线连接行为及其机理。首先,利用有限元方法定性分析了纳米线的局部电场增强与端面几何形态之间的相关性,结果表明纳米线端面局部曲率越大电场增强程度越大;然后,根据等离子激元光-热效应作用对纳米线的连接过程具有自限制的特点,提出了间隙大小相关的能量作用因子的数学模型,模拟结果表明该模型能够成功实现纳米线连接过程的自限制作用。研究结果表明,在一定的能量大小区间范围内,五重孪晶银纳米线连接后能够恢复规则的原子晶格和孪晶晶界,这是由于无序原子在低能密排晶面发生逐层沉积的结果;当间隙大于一定值时,纳米线将发生烧蚀熔断。最后,在相同条件下对单晶银纳米线的连接过程进行对比研究,结果表明连接区域形成晶界缺陷,而无法恢复规则晶格。通过本文的研究,完善了银纳米材料的力学和热力学的基础理论,揭示了等离子激元光-热效应下的银纳米材料连接行为与机理。研究结果为将来开发基于等离子激元的纳米连接技术,促进新一代电子器件制造技术发展提供理论基础和依据。
【学位单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TB383.1;O614.122
【部分图文】：

了不同方案的优缺点，如表 1.1 所示。此外，图 1.3 和表 1.2 显示了溶液涂覆工艺比物理沉积工艺，就工艺价格优势和规模扩展性来说，前者比后者有巨大优势。图1.1 柔性透明电极的典型应用：(a)OLED，(b)柔性太阳能电池，(c)柔性触摸屏和(d)电子皮肤（图片来自网络）图1.2 OLED 发光结构单元示意图（金属）阴极电子输运层有机发生器空穴输运层（透明）阳极（柔性）基板光

OLED发光结构单元示意图

成本较易氧化图1.3 两种电极制造工艺（图片来自网络）表1.2 透明电极制造工艺对比工艺名称 物理气相沉积 溶液涂覆原料利用率 低 高原料成本比重 极低（2%） 高生产速率低线（线性涂覆率约为 0.01m/s），与厚度相关高出 100 倍，速率与厚度几乎无关原料回收 约 70% 几乎不需回收典型应用 ITO 金属纳米线溶液优缺点 工艺成本高，扩展性差 工艺成本低，扩展性强基于银纳米颗粒制备的浆料具有“低温焊接，高温服役”的优点。一般地，柔性(a) 物理气相沉积工艺 (b) 溶液涂覆工艺

本文编号：2813776