利用納米制造技術(shù)來實現(xiàn)新一代電子器件制造是突破摩爾定律描述的物理極限問題的一個前沿課題,而充分了解納米材料特性和準確掌握納米材料連接方法是納米制造技術(shù)的兩個重要內(nèi)容。銀納米材料具有力、光、電,磁和熱等方面的優(yōu)異特性,被廣泛關(guān)注并應(yīng)用于微電子器件的制備。鑒于當前研究銀納米材料特性及其連接方法正處于實驗研究階段,本文采用分子動力學方法進一步深入研究銀納米材料的力學和熱力學特性,并采用基于分子動力學的無網(wǎng)格方法研究銀納米材料的等離子激元連接過程與機理。(1)采用分子動力學方法對一系列不同長度的五重孿晶銀納米線實施拉伸模擬實驗,發(fā)現(xiàn)了斷口形態(tài)與斷裂模式的相關(guān)性,揭示了銀納米線拉伸失效過程的原子行為與機理。研究發(fā)現(xiàn),長納米線發(fā)生脆性斷裂,并產(chǎn)生較長的斷口尺寸和錐形斷口形態(tài);短納米線發(fā)生延性失效,而產(chǎn)生更小的斷口尺寸和帶凹坑的斷面形態(tài)。對拉伸過程中的原子行為分析表明,五重孿晶銀納米線的拉伸失效過程由多種機理控制:短納米線的失效機理是第一階段的穩(wěn)定位錯成核到第二階段的孔隙擴展輔助的穩(wěn)定位錯運動;長納米線的斷裂機理分別是第一階段的不穩(wěn)定位錯成核和第二階段的快速頸縮斷裂。此外,提出了預(yù)測納米線斷裂模式的數(shù)學模型,計算結(jié)果能夠準確預(yù)測分子模擬與文獻實驗測量結(jié)果。該模型不僅適用于縮頸方式失效的納米線,還適用于以滑移帶方式斷裂的情況。(2)研究了銀納米材料尺寸相關(guān)的熱力學熔化行為及其機理。采用原子結(jié)構(gòu)特征和原子鍵漲落信息,并結(jié)合提出的歸一化“林德曼指數(shù)”方法,驗證了銀納米顆�！叭埸c下降”的尺寸效應(yīng),得到了尺寸相關(guān)的熔化模式。從原子物態(tài)的角度,分析了銀納米顆粒熔化過程中原子物態(tài)的演變過程,揭示了不同熔化模式下的原子熔化行為與本質(zhì)。進一步研究發(fā)現(xiàn),較小銀納米顆粒的熱不穩(wěn)定性是導(dǎo)致固-固轉(zhuǎn)變現(xiàn)象發(fā)生的原因,而較大銀納米顆粒表面各種晶體學面片存在不同的熔化特性。研究還驗證了銀納米顆粒固液界面的形成及其運動是由熱激活產(chǎn)生的“點缺陷”所造成的結(jié)果。此外,還分析了不同晶體結(jié)構(gòu)銀納米線的熔化過程及其瑞利不穩(wěn)定性。(3)研究了基于等離子激元光-熱效應(yīng)的銀納米顆粒連接行為規(guī)律與機理。首先,采用有限元方法定性分析了光電場中銀單納米顆粒/雙球納米顆粒的光譜分布、光-熱效應(yīng)、局部電場增強和熱點分布,得到了銀納米顆粒與光電場之間相互作用的特點。然后,通過引入自適應(yīng)能量轉(zhuǎn)換因子,改進了局部雙溫模型的分子動力學計算方法,實現(xiàn)了銀納米顆粒電子和晶格的熱傳導(dǎo)過程以及能量轉(zhuǎn)換的穩(wěn)定求解過程,解決了納米材料的無網(wǎng)格多物理場耦合求解問題。最后,對雙球銀納米顆粒進行了等離子激元連接模擬,結(jié)果表明電子子系統(tǒng)的熱導(dǎo)率對晶格子系統(tǒng)的溫度變化過程的影響可以忽略不計;光通量大小對納米顆粒連接行為有顯著的影響;在飛秒到幾個皮秒的脈沖寬度范圍內(nèi),銀納米顆粒連接過程與脈沖寬度大小沒有顯著的相關(guān)性;在大于數(shù)皮秒的脈沖寬度下,脈沖寬度越大納米顆粒的連接過程越滯后,而連接結(jié)果基本一致。(4)研究了同軸五重孿晶和單晶銀納米線基于等離子激元光-熱效應(yīng)的連接過程,揭示了不同條件下納米線連接行為及其機理。首先,利用有限元方法定性分析了納米線的局部電場增強與端面幾何形態(tài)之間的相關(guān)性,結(jié)果表明納米線端面局部曲率越大電場增強程度越大;然后,根據(jù)等離子激元光-熱效應(yīng)作用對納米線的連接過程具有自限制的特點,提出了間隙大小相關(guān)的能量作用因子的數(shù)學模型,模擬結(jié)果表明該模型能夠成功實現(xiàn)納米線連接過程的自限制作用。研究結(jié)果表明,在一定的能量大小區(qū)間范圍內(nèi),五重孿晶銀納米線連接后能夠恢復(fù)規(guī)則的原子晶格和孿晶晶界,這是由于無序原子在低能密排晶面發(fā)生逐層沉積的結(jié)果;當間隙大于一定值時,納米線將發(fā)生燒蝕熔斷。最后,在相同條件下對單晶銀納米線的連接過程進行對比研究,結(jié)果表明連接區(qū)域形成晶界缺陷,而無法恢復(fù)規(guī)則晶格。通過本文的研究,完善了銀納米材料的力學和熱力學的基礎(chǔ)理論,揭示了等離子激元光-熱效應(yīng)下的銀納米材料連接行為與機理。研究結(jié)果為將來開發(fā)基于等離子激元的納米連接技術(shù),促進新一代電子器件制造技術(shù)發(fā)展提供理論基礎(chǔ)和依據(jù)。
【學位單位】：西安電子科技大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2019
【中圖分類】：TB383.1;O614.122
【部分圖文】：

了不同方案的優(yōu)缺點，如表 1.1 所示。此外，圖 1.3 和表 1.2 顯示了溶液涂覆工藝比物理沉積工藝，就工藝價格優(yōu)勢和規(guī)模擴展性來說，前者比后者有巨大優(yōu)勢。圖1.1 柔性透明電極的典型應(yīng)用：(a)OLED，(b)柔性太陽能電池，(c)柔性觸摸屏和(d)電子皮膚（圖片來自網(wǎng)絡(luò)）圖1.2 OLED 發(fā)光結(jié)構(gòu)單元示意圖（金屬）陰極電子輸運層有機發(fā)生器空穴輸運層（透明）陽極（柔性）基板光

OLED發(fā)光結(jié)構(gòu)單元示意圖

成本較易氧化圖1.3 兩種電極制造工藝（圖片來自網(wǎng)絡(luò)）表1.2 透明電極制造工藝對比工藝名稱 物理氣相沉積 溶液涂覆原料利用率 低 高原料成本比重 極低（2%） 高生產(chǎn)速率低線（線性涂覆率約為 0.01m/s），與厚度相關(guān)高出 100 倍，速率與厚度幾乎無關(guān)原料回收 約 70% 幾乎不需回收典型應(yīng)用 ITO 金屬納米線溶液優(yōu)缺點 工藝成本高，擴展性差 工藝成本低，擴展性強基于銀納米顆粒制備的漿料具有“低溫焊接，高溫服役”的優(yōu)點。一般地，柔性(a) 物理氣相沉積工藝 (b) 溶液涂覆工藝

本文編號：2813776