银纳米线互连网络接头的形态特征和原子演变行为

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1. 文章导读

银纳米线凭借其出色的电学、光学性能，在柔性电子、透明电极等领域发挥着举足轻重的作用，其互连一体的网络更因其卓越的性能吸引着国内外学者的关注。近年来，随着纳米技术的快速发展，纳米连接技术极大地丰富了功能型纳米结构和器件的制备手段，纳米连接的方法和互连机理从而成为研究的热点。目前，高温退火作为制造大规模银纳米线互连网络的有效方法被广泛采用，但高温易影响并改变纳米线及其接头的结构，低温连接成为提升纳米接头与性能的重要手段。因此，进一步研究纳米连接行为及其接头质量对温度的依赖性，深入揭示纳米尺度的连接机理，对提高互连网络接头质量具有重要意义。近期，西安交通大学机械工程学院、机械制造系统工程国家重点实验室的崔健磊教授、梅雪松教授团队在SCI期刊《极端制造》（International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM）上共同发表《银纳米线互连网络接头的形态特征和原子演化行为》的文章，通过原位实验和分子动力学模拟相结合的方式对银纳米线接头的连接机制及原子演变行为展开研究，同时对高热过程中因瑞利失稳和局部应力导致的接头缺陷进行了分析。

亮点：
● 基于SEM和TEM的原位加热实验，深入揭示了热激励互连银纳米线的形貌特征和连接机理。● 阐明了X构型纳米接头界面原子的扩散行为与嵌入式接头的形成机制。● 建立了预测纳米接头构型的分子动力学模型，实验实现了真空低温条件下三种不同类型纳米接头的高质量连接。

图1 银纳米线互连网络的三类纳米接头示意图及其原子流动形貌特征。

2. 研究背景

近年来，随着新一代微电子器件工艺的发展，越来越多的微纳米焊接技术被广泛的应用。对于一维金属纳米材料，尤其对于银纳米线（AgNWs），因其极高的电导率，在柔性电子和透明电极领域发挥的作用越来越明显。为了获得金属纳米材料的高质量纳米连接接头，人们采用了不同的纳米连接技术，包括利用低温冷焊、高温退火、焦耳热、微波烧结、等离子体烧结和高能束（包括电子束、离子束和激光束）等等。在这些技术中，高温退火因其方便快捷、可作为制造大规模AgNW互连网络的有效方法而被广泛使用和研究。

为了揭示纳米接头质量对温度的依赖性，在以往的研究中，部分学者对金、银、铜等多种金属纳米线在高温处理下的互连行为进行了研究，但对其连接过程中的接头形成的原位演化机制及其在互连网络中的热缺陷损伤机制研究较少。然而，由于材料的尺寸效应，其热敏感性明显增加，纳米接头质量不仅会受到温度的影响，局部的应力状态及其与基底的相互作用关系也会大大地影响接头的质量。因此，为了更深一步了解和揭示纳米连接机理，提高接头质量，本文通过原位实验和分子动力学模拟相结合的方式进行研究，揭示AgNWs接头的热焊接形态特征和原子演变行为，同时对接头的热损伤形貌进行了分析。

3. 研究内容

对于热诱导连接方法，接头的最终质量对纳米线之间的初始间距和排列方向很敏感。在焊接过程中可以获得三种类型的纳米接头：头对头、头对侧（T 型）和侧对侧（X 型）接头。对于头对头接头和T字接头，由于这两种接头的布置属于同一水平面，其连接形貌除了温度，主要受到水平间距的影响。对于X形纳米接头，除了温度，由于其上下空间结构特征，其接头形貌会极大的受到局部应力的影响。此外，在热诱导下，在纳米线表面及接头处会因瑞利失稳出现非均匀流动，最终形成嵌入式接头，如图2所示。

图2 (a)–(c) 直径为 30–50 nm 的 AgNWs 在 150 °C、170 °C 和 190 °C 下处理 30 分钟的形貌特征；(d)–(f)不同处理时间下AgNWs的形态特征。

为了进一步分析X型接头的空间分布特点，对其接头的侧面形貌进行研究。从实验结果可以看出，对于大直径和高纵横比的纳米线，相交的纳米线之间在垂直方向上会形成了大量的孔结构。当施加高温时，随着原子在纳米线表面的加速流动，这些中空结构逐渐减小或消失。这样，X型接头的两侧会形成明显的凹凸结构，使得上方纳米线的原子加速向下，逐渐包裹下方的纳米线，如图3所示。随着焊接时间的增加，下方的纳米线逐渐被上方的纳米线充分包裹。对于AgNWs已经形成的交叉纳米结，局部应力会极大地影响焊接形貌，为了进一步研究应力在AgNWs上的连接扩散机制，文章开展了如图4所示的原位加热实验，结果显示 AgNWs在具有曲率的部分会产生一定的应力集中，这些部分通常会出现局部损伤或热诱导的断裂。

图3 X接头的形貌特征。(a)–(c) 直径30–50 nm，在 200 °C 下处理 30、45 和 60 分钟；(d)-(f) 直径100-150 nm。

图4 热诱导下的AgNWs的应力驱动形态特征 (a)在220℃原位加热下AgNWs的形态演变；(b)在250℃原位加热下AgNWs的形态演变；(c)AgNWs在250℃加热30分钟后，曲率部分和交叉结点的形态特征。

为了进一步分析AgNWs互连过程中的原子演化行为，通过原位TEM加热研究表明，AgNWs在热诱导过程中会伴随大量Ag纳米颗粒的激发和重吸收，纳米颗粒的形成机制是由于毛细作用诱导的表面扩散和渗透。AgNWs界面在热激发下，伴随着毛细管下原子的热运动，AgNWs诱导出局部凸起的纳米结构，这些结构中的银原子在表面能的驱动下会重新定向，相邻纳米结构之间相互扩散逐渐形成单晶纳米颗粒。当这些纳米颗粒晶向与 Ag 纳米线一致时，它们将被重新定向吸收，如图5所示。在连接过程中，这些Ag纳米颗粒出现吸收的过程更有利于接触点的充分焊接。因此，当两根纳米线连接时，随着热处理时间的增加，接头处的晶面缺陷会越来越少，随着温度的升高，Ag纳米颗粒的溅射过程也会越来越激烈。

图5 AgNWs焊接过程中表面Ag纳米颗粒形貌形态演变。(a)-(c) SEM中原位加热；(g)-(h) TEM系统中原位加热。

4. 未来展望

AgNWs互连网络目前被广泛的应于柔性电子及透明导体，尤其在屏显系统、光伏器件、电磁屏蔽、透明加热元件等一系列电子设备中发挥着举足轻重的作用。基于AgNWs互连网络的器件机械稳定性高、透光率强、电导率高，如何有效的提高AgNWs接头的焊接质量，保证接头的服役稳定性也是近年来研究的重点，随着器件的进一步集成化和小型化，未来对纳米接头在应用过程中的热敏感性及热损伤机制也会吸引越来越多人的关注。