碳納米管與金屬納米顆粒連接的分子動(dòng)力學(xué)模擬.pdf

1、由于傳統(tǒng)材料的微電子電路尺寸受到工藝條件的限制而難以繼續(xù)減小,于是分子級(jí)的電子電路應(yīng)運(yùn)而生。碳納米管以其獨(dú)特的納米結(jié)構(gòu)及優(yōu)越的電學(xué)性能,成為未來微電子電路制作中的主要候選材料之一。因此碳納米管與傳統(tǒng)電子電路的相容性問題,即碳納米管與金屬電極的可靠連接問題成為目前亟待解決的問題。雖然現(xiàn)在已經(jīng)有許多方法可以實(shí)現(xiàn)碳納米管與金屬電極的連接,但是仍然存在不易觀測(cè)等諸多問題。目前對(duì)納米連接問題的研究大多是針對(duì)控制方法的研究,然而很多連接體的應(yīng)用更多

2、地依賴于接頭的微觀結(jié)構(gòu)和性能,因此,對(duì)接頭結(jié)構(gòu)及性能等的分析也十分必要。
　　本文采用分子動(dòng)力學(xué)模擬方法,基于一種新型的碳-金屬原子間鍵序多體作用勢(shì),從原子尺度模擬了碳納米管與鈷、鎳、金三種金屬納米顆粒的連接過程,建立了該連接過程和接頭結(jié)構(gòu)分析的分子動(dòng)力學(xué)模型。結(jié)果表明,連接過程中主要發(fā)生金屬原子向碳納米管的擴(kuò)散,在碳納米管的柔性和金屬原子晶體結(jié)構(gòu)的協(xié)調(diào)作用下形成最終接頭結(jié)構(gòu),碳納米管端部發(fā)生變形,金屬原子出現(xiàn)無序化排列。與碳原子

3、親和力過大的金屬(鈷)沿碳納米管內(nèi)部嚴(yán)重?cái)U(kuò)散,使其發(fā)生塌陷,形成不利于實(shí)際應(yīng)用的接頭結(jié)構(gòu)。
　　選用金納米顆粒為金屬電極代表,通過改變兩種材料的初始幾何結(jié)構(gòu)及環(huán)境熱力學(xué)條件,發(fā)現(xiàn)六元環(huán)排列模式、碳納米管直徑、管壁數(shù)、表面缺陷及吸附狀態(tài)、溫度、壓力水平等均對(duì)連接過程和接頭結(jié)構(gòu)有一定程度的影響。不同尺寸的金納米顆粒主要因具有不同的金原子數(shù)和比表面能而對(duì)連接產(chǎn)生影響,而金納米顆粒的晶面取向則對(duì)模擬結(jié)果影響不大。以上工藝參數(shù)對(duì)接頭結(jié)構(gòu)的影

4、響主要表現(xiàn)在金原子沿碳納米管內(nèi)壁和外壁的擴(kuò)散及碳-金原子之間的成鍵。
　　此外還綜合考慮了電子產(chǎn)品對(duì)運(yùn)輸和使用過程中的抗沖擊及抗震動(dòng)和封裝體的散熱要求,分別通過模擬拉伸實(shí)驗(yàn)和熱浴模型對(duì)接頭的力學(xué)性能和熱學(xué)性能進(jìn)行了計(jì)算分析,為未來碳納米管基微電子電路的制作提供了理論指導(dǎo)。結(jié)果表明,決定接頭性能的主要因素是接頭附近的金原子排列無序度,無序度越大,接頭性能越好。力學(xué)方面主要表現(xiàn)在變形承受能力的提高。熱學(xué)方面主要表現(xiàn)在接頭熱阻的減小。<