Forscher der Xi’an Jiaotong University enthüllten das atomare Strömungsverhalten von Nanogelenken im AgNWs Interconnect Network. Um die Verbindungsqualität weiter zu verbessern, wurden der thermische Schweißprozess und das Atomentwicklungsverhalten von Ag-Nanodrähten durch eine Kombination aus experimentellen In-situ- und Molekulardynamiksimulationen untersucht.
Das Team analysiert systematisch das atomare Fließverhalten während der Bildung verschiedener Arten von Ag-Nanodrahtverbindungen. Der Einfluss von Bearbeitungszeit, Temperatur und Spannungsverteilung durch räumliche Anordnung auf Nanofugen wurde systematisch untersucht. Darüber hinaus wurden auch die Versagensmechanismen und deren atomares Grenzflächenverhalten der Nanojoints untersucht. Diese Ergebnisse könnten die industrielle Anwendung von Ag-Nanodraht-Verbindungsnetzwerken in flexibler Elektronik und transparenten leitfähigen Filmen vorantreiben.
Da sich die Größe von Nanoverbindungen in den Nanobereich verschiebt, nimmt ihre thermische Empfindlichkeit erheblich zu, und die Untersuchung der Temperaturabhängigkeit von Verbindungen und der Schadensmechanismen durch thermische Defekte während ihres Schweißprozesses wird immer wichtiger. Bei Ag-Nanodrähten tritt während des Schweißens ein ausgeprägteres Kapillarphänomen in den Nanospalten auf, und ihre Schweißnahtmorphologie unterliegt zusätzlich zur Temperatur lokalen Spannungen.
Bei thermisch induzierten Schweißverfahren hängt die endgültige Qualität der Verbindung vom anfänglichen Abstand und der Ausrichtungsrichtung zwischen den Nanodrähten ab. Während des Schweißprozesses können drei Arten von Nanoverbindungen erzielt werden: Kopf-an-Kopf-, Kopf-an-Seite- (T-förmige) und Seite-an-Seite- (X-förmige) Verbindungen. Bei den ersten beiden Nahtformen wird die Nahtmorphologie neben der Temperatur hauptsächlich durch die horizontale Teilung beeinflusst. Bei X-förmigen Nanofugen wird die Fugenform neben der Temperatur stark von lokalen Spannungen aufgrund der räumlichen Struktur von Ober- und Unterseite beeinflusst.
Einer der leitenden Forscher, Professor Jianlei Cui, kommentierte: „Die Eigenschaften der Verbindungsstelle im miteinander verbundenen Netzwerk von AgNWs werden nicht nur von der Temperatur beeinflusst, sondern auch von der lokalen Spannung und ihrer Wechselwirkung mit dem Substrat, gleichzeitig kapillar Wechselwirkungen zeigen einen nicht zu vernachlässigenden Einfluss auf die Grenzflächenströmung im Nanobereich. Darüber hinaus wird im richtigen Temperaturbereich die atomare Strömung der Verbindung mit zunehmender Behandlungszeit immer ausreichender und die Qualität der Verbindung wird immer besser.“
Das In-situ-Heizsystem des Elektronenmikroskops ermöglicht es uns, die Entwicklung der atomaren morphologischen Merkmale während des Schweißens von Ag-Nanodrähten direkt zu beobachten und zu analysieren. Der Autor Xiaoying Ren erklärte: „In unserer Arbeit haben wir die Anregung und Resorption einer großen Anzahl von Ag-Nanopartikeln auf der Oberfläche von AgNWs während der thermischen Anregung direkt beobachtet, und der Mechanismus der Nanopartikelbildung kann auf einer kapillarinduzierten Oberflächendiffusion beruhen und Durchdringung.“
Die Anregung und Reabsorption dieser Nanopartikel wird von einem allmählichen Füllen der Nanolücken mit Ag-Atomen begleitet, wodurch sich mit zunehmender Zeit vollständig verschweißte Nanoverbindungen bilden.
Um die Wirkung lokaler Spannungen auf X-förmige Nanoverbindungen weiter zu untersuchen, fanden die Autoren heraus, dass AgNWs bestimmte Spannungskonzentrationen in den Teilen mit Krümmung erzeugen, und diese Teile normalerweise lokale Schäden oder Brüche unter thermischer Anregung im folgenden Prozess zeigen.
Während der Bildung einer X-Verbindung fließen die oberen Nanodrähte heftig unter dem Einfluss von lokaler Spannung und Temperatur, und ihre Atome fließen entlang der Oberfläche der unteren Nanodrähte und bilden schließlich eine eingekapselte Nanoverbindung, die zur Bildung führt einer großen Anzahl von Defekten auf beiden Seiten der oberen Nanodrahtverbindung, und diese X-förmigen Nanoverbindungen sind die ersten, die auf beiden Seiten der oberen Nanodrähte während des späteren thermischen Anregungsprozesses brechen.
Um die Entwicklung des atomaren Verhaltens von Ag-Nanodrähten unter thermischer Anregung und den Mechanismus der thermischen Schädigung weiter zu analysieren, sagte der Autor Chenchen Huang: „Wir haben die Rayleigh-Destabilisierung von Ag-Nanodrähten unter thermischer Anregung mithilfe von Molekulardynamiksimulationen systematisch analysiert und Die Ergebnisse zeigen, dass Ag-Nanodrähte aufgrund der Rayleigh-Destabilisierung bei hohen Temperaturen Nanopartikel mit gleichem Abstand bilden.
Professor Xuesong Mei sagte: „Wie man die Schweißqualität von AgNW-Verbindungen effektiv verbessert und die Anwendungsstabilität der Verbindungen sicherstellt, stand schon immer im Mittelpunkt der Forschung. Mit der weiteren Integration und Miniaturisierung von Geräten werden die thermische Empfindlichkeit und die thermischen Schadensmechanismen von Nano -Joints im Bewerbungsprozess werden auch in Zukunft immer mehr Beachtung finden.“
Die Studie erscheint im Internationale Zeitschrift für extreme Fertigung.
Mehr Informationen:
Jianlei Cui et al, Morphologische Eigenschaften und atomares Evolutionsverhalten von Nanoverbindungen in Ag-Nanodraht-Verbindungsnetzwerken, Internationale Zeitschrift für extreme Fertigung (2023). DOI: 10.1088/2631-7990/acc434
Bereitgestellt vom International Journal of Extreme Manufacturing