魏英博，房冉冉

摘要：铜/银核壳结构纳米线可在保持优秀透光率和导电性的同时克服银纳米线的高成本及铜纳米线的易氧化问题，在生物、化学传感等柔性光电器件领域应用前景十分广阔。然而，铜/银核壳结构纳米线的纳米焊接工艺仍处于探讨阶段，探寻焊接成型过程中不同焊接参数下纳米线结构的稳定性、结构演变过程及接头的力学性能是实现其制备应用的一个关键问题。本文通过分子动力学模拟方法，更好地把铜/银核壳结构纳米线焊接的微观过程展现出来，并讨论了通过分子动力学模拟来探究铜/银核壳结构纳米线焊接最佳工艺参数的方法。

关键词：纳米线;铜/银核壳结构纳米线;分子动力学模拟;LAMMPS

中图分类号：TP391      文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2021）21-0172-03

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

分子动力学模拟是一项将数学，物理和化学结合在一起的综合性技术，依托牛顿力学模拟分子体系的运动，以便于在模拟出的不同状态系统中抽取样本，计算出体系的构型积分，并根据结果进一步计算得到体系的热力学量等宏观性质。通过分子动力学模拟的方法可以对实验过程进行的原理及规律从原子（分子）层面得到更加直观的了解，是分子模拟实验中最接近实际实验条件的模拟方法，能够促使我们的研究向着更高效，更经济，更有预见性的方向发展，这些优点都是实际实验所不具备的。

1 分子动力学基本原理

分子动力学模拟的基本原理是将原子和分子视作粒子系统，从系统的某一假定位能模型出发，并假定系统中粒子的运动遵循牛顿第二定律，用势函数当作牛顿第二定律中的力，求解出运动方程，进而用差分法计算得到系统的热力学参数、结构和力学性能等。能够通过体系的微观性质运算得到其宏观性质，更加直观地展现出系统中粒子的变换过程[1]。在研究纳米线焊接工艺及其结构性能的过程中，进行分子动力学模拟的过程如下：

纳米线模型的建立：

利用LAMMPS软件包自带算法建立不同壳层厚度的铜/银核壳结构纳米线焊接模型，并通过能量最小化和弛豫得到稳定结构模型。

焊接成型及结构演变过程：

对不同温度及压力加载速度工艺参数下的焊接过程进行模拟，采用原子组态图、原子位移、径向分布函数等手段揭示结构演变过程。

对接接头的力学性能测试：

利用LAMMPS软件包对焊接接头进行单向拉伸，得到接头的应力应变曲线。

总结最优的焊接工艺参数：

通过对比接头结构以及力学性能，选择对接焊接铜/银核壳结构纳米线的最佳工艺参数。

进行分子动力学模拟的首要环节是建立模型，通过将实际模型抽象后建立其物理系统模型。势函数的选取也十分重要，势函数是描述粒子间相互作用的函数，直接影响着模拟过程中对分子间作用力，粒子速度、位置及势能的计算。物理系统中粒子的初始位置应当根据实际模型进行设置，以便于使系统尽快达到平衡，粒子的初始速度也应设置为与实际模型中粒子的速度相当，以便于减少计算机运算量、缩短模拟时间。

2 纳米线材料研究进展

纳米线是指宽度为纳米尺度（直径小于100nm），长度无限制的线。可以由金属、绝缘体以及半导体等不同材料构成。用金属纳米线制作超小电路是纳米技术中的一项重要应用。银纳米线和铜纳米线由于优异的导电性、延展性和易于合成的特点成为透明或柔性电子器件的主要材料。铜和银的导电性能和导热性能十分相近，但价格悬殊，铜的价格约为银的1/86，且银相对于铜具有良好的氧化稳定性。为综合二者的性能优点，通过将银原子沉积于铜纳米线表面形成的合金纳米线有望成为该领域的理想材料[2-5]。

近年来，双金属核壳结构纳米线的制备及其性能研究引起了越来越多研究者的关注[6-7]。相较传统纳米线，双金属核壳结构纳米线有着特殊的电子、催化和光学性能，不仅能保持核壳金属材料本身的物理化学性质，而且还可以产生一些独特的性能。

银纳米线和铜纳米线由于优异的导电性、延展性和易于合成的特点成为透明或柔性电子器件的主要材料。在铜纳米线基体表面包覆银壳层构成的铜/银核壳结构纳米线可同时克服银纳米线的高成本及铜纳米线的易氧化问题，能够以其优秀的透光率、导电性等性质，在透明导电电极、柔性太阳能电池等新技术中得到广泛的应用[2-5，8]。

3 铜/银核壳纳米线焊接方法的探讨

研究铜/银核壳纳米线连接性能的主要步骤可分为模型的建立、数据模拟计算和实验数据的分析。

3.1 建模过程

近年来，随着纳米材料在各领域的飞速发展，纳米材料成型方法及连接工艺过程正逐渐成为研究热点。作为传统的材料成型方法之一，纳米焊接为“自下而上（bottom up）”的纳米制造，尤其是纳米线互连网络的构建开辟了新的途径[9，10]。目前，金属纳米线的连接机理和焊接工艺过程的探讨尚处于起步阶段。Tohmyoh等[11]通过纳米操作台，将纳米Pt丝与Au丝搭接后直接通入直流电，由于接触的区域很小，接触电阻很高，通入4.5 mA的电流，局部电阻热使接触点熔化，随后凝固，将纳米线焊接在一起。CUI等[12]通过分子动力学模拟方法将直径为2nm的不同长度交叉银纳米线之间进行连接，揭示了基于热效应的纳米连接机制。LIU等[13]采用室温下冷焊技术实现了银纳米线的焊接，在维持其结构稳定性的同时提高其导电性和机械性能。

然而，现有文献中鲜有对合金纳米线焊接工艺的研究成果，合金纳米线连接工艺存在实验条件苛刻、连接过程不易观测等问题。分子动力学模拟不仅研究成本相对低廉，还可以直观反映连接过程中的结构演变过程，现在分子动力学模拟已经成了当今纳米科学研究的主要手段之一，受到了国内外广大学者的青睐。本项目依托分子动力学模拟软件包LAMMPS对不同壳层厚度的铜-银合金纳米线焊接成型过程进行模拟，并探讨不同纳米线规格、压力及温度参数等对焊接过程的影响，通过对接头进行结构和力学性能等多方面的模拟测试，得出该结构纳米线最合适的焊接工艺参数，为纳米互连工艺以及合金纳米线连接成型奠定研究基础。