碳纳米管与金属纳米颗粒连接的分子动力学模拟

摘要

由于传统材料的微电子电路尺寸受到工艺条件的限制而难以继续减小,于是分子级的电子电路应运而生。碳纳米管以其独特的纳米结构及优越的电学性能,成为未来微电子电路制作中的主要候选材料之一。因此碳纳米管与传统电子电路的相容性问题,即碳纳米管与金属电极的可靠连接问题成为目前亟待解决的问题。虽然现在已经有许多方法可以实现碳纳米管与金属电极的连接,但是仍然存在不易观测等诸多问题。目前对纳米连接问题的研究大多是针对控制方法的研究,然而很多连接体的应用更多地依赖于接头的微观结构和性能,因此,对接头结构及性能等的分析也十分必要。
　　本文采用分子动力学模拟方法,基于一种新型的碳-金属原子间键序多体作用势,从原子尺度模拟了碳纳米管与钴、镍、金三种金属纳米颗粒的连接过程,建立了该连接过程和接头结构分析的分子动力学模型。结果表明,连接过程中主要发生金属原子向碳纳米管的扩散,在碳纳米管的柔性和金属原子晶体结构的协调作用下形成最终接头结构,碳纳米管端部发生变形,金属原子出现无序化排列。与碳原子亲和力过大的金属(钴)沿碳纳米管内部严重扩散,使其发生塌陷,形成不利于实际应用的接头结构。
　　选用金纳米颗粒为金属电极代表,通过改变两种材料的初始几何结构及环境热力学条件,发现六元环排列模式、碳纳米管直径、管壁数、表面缺陷及吸附状态、温度、压力水平等均对连接过程和接头结构有一定程度的影响。不同尺寸的金纳米颗粒主要因具有不同的金原子数和比表面能而对连接产生影响,而金纳米颗粒的晶面取向则对模拟结果影响不大。以上工艺参数对接头结构的影响主要表现在金原子沿碳纳米管内壁和外壁的扩散及碳-金原子之间的成键。
　　此外还综合考虑了电子产品对运输和使用过程中的抗冲击及抗震动和封装体的散热要求,分别通过模拟拉伸实验和热浴模型对接头的力学性能和热学性能进行了计算分析,为未来碳纳米管基微电子电路的制作提供了理论指导。结果表明,决定接头性能的主要因素是接头附近的金原子排列无序度,无序度越大,接头性能越好。力学方面主要表现在变形承受能力的提高。热学方面主要表现在接头热阻的减小。

目录

摘　要

Abstract

目 录

第1章 绪　论

1.1 引言

1.2 碳纳米管简介

1.2.1 碳纳米管的结构

1.2.2 碳纳米管的性质

1.3 课题背景与研究现状

1.3.1 课题背景及意义

1.3.1 碳纳米管与金属电极连接的研究现状

1.4 本文主要研究内容

第2章 分子动力学方法

2.1 分子动力学方法简介

2.1.1 分子动力学方法的建立

2.1.2 分子动力学与统计力学的关系

2.1.3 分子动力学与其它经典模拟方法的关系

2.2 分子动力学计算及分析软件

2.3 分子动力学的势函数选择

2.4 本章小结

第3章 碳纳米管与金属连接接头的界面结构

3.1 引言

3.2 模型的建立与参数设定

3.2.1 几何结构的建立

3.2.2 基本参数的设定

3.3 计算结果与讨论

3.3.1 碳纳米管与金纳米颗粒的连接

3.3.2 碳纳米管与上同金属的连接

3.4 本章小结

第4章 工艺参数对接头结构的影响规律

4.1 引言

4.2 几何参数的影响规律

4.2.1 金属纳米颗粒尺寸及晶面取向的影响

4.2.2 碳纳米管直径和手性的影响

4.2.3 碳纳米管管壁数的影响

4.2.4 碳纳米管表面缺陷及吸附物的影响

4.3 热力学参数的影响规律

4.3.1 温度的影响

4.3.2 压力的影响

4.4 本章小结

第5章 连接接头的性能分析

5.1 引言

5.2 力学性能的分析

5.2.1 模型的构建及模拟方法

5.2.2 计算结果与讨论

5.3 热学性能的分析

5.3.1 模型的构建及模拟方法

5.3.2 计算结果与讨论

5.4 本章小结

结　论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

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致 谢