De drie soorten gewrichten in Ag-nanodraadverbindingsnetwerken hebben verschillende morfologische kenmerken onder thermische excitatie, vooral in de vorm van zij-aan-zij-verbindingen, die onder lokale spanning vloeistofachtige capillariteit in de nanoporiën zullen vertonen en ingebedde nanojoints vormen in de resulterende geïnduceerde oppervlaktediffusie en infiltratie. Credits: Jianlei Cui, Xiaoying Ren, Xuesong Mei, Zhengjie Fan, Chenchen Huang, Zhijun Wang, Xiaofei Sun en Wenjun Wang.
Onderzoekers van de Xi’an Jiaotong University onthulden het atomaire stromingsgedrag van nanogewrichten in het AgNWs Interconnect Network. Om de verbindingskwaliteit verder te verbeteren, werden het thermisch lasproces en het atomaire evolutiegedrag van Ag-nanodraden bestudeerd door een combinatie van in situ experimentele en moleculaire dynamische simulaties.
Het team analyseert systematisch het atomaire stromingsgedrag tijdens de vorming van verschillende soorten Ag-nanodraadverbindingen. De invloed van verwerkingstijd, temperatuur en spanningsverdeling als gevolg van ruimtelijke ordening op nanojoints werd systematisch onderzocht. Bovendien werden ook de faalmechanismen en hun atomaire grensvlakgedrag van de nanojoints onderzocht. Deze resultaten kunnen de industriële toepassing van Ag-nanodraadverbindingsnetwerken in flexibele elektronica en transparante geleidende films bevorderen.
Naarmate de grootte van nanoverbindingen verschuift naar de nanoschaal, neemt hun thermische gevoeligheid aanzienlijk toe en wordt de studie van de temperatuurafhankelijkheid van verbindingen en schademechanismen door thermische defecten tijdens hun lasproces steeds belangrijker. Voor Ag-nanodraden is er een meer uitgesproken capillair fenomeen in de nanospleten tijdens het lassen en is hun lasmorfologie naast temperatuur ook onderhevig aan lokale stress.
Voor thermisch geïnduceerde lasmethoden is de uiteindelijke kwaliteit van de verbinding gevoelig voor de initiële afstand en uitlijningsrichting tussen de nanodraden. Tijdens het lasproces kunnen drie soorten nanoverbindingen worden verkregen: kop-aan-kop, kop-aan-zij (T-vormig) en zij-aan-zij (X-vormig) verbindingen. Voor de eerste twee verbindingsvormen wordt de lasmorfologie naast de temperatuur voornamelijk beïnvloed door de horizontale spoed. Voor X-vormige nano-gewrichten wordt naast de temperatuur de vorm van de verbinding sterk beïnvloed door lokale spanningen als gevolg van de ruimtelijke structuur van de boven- en onderkant.
Een van de hoofdonderzoekers, professor Jianlei Cui, merkte op: “De kenmerken van het gewricht in het onderling verbonden netwerk van AgNW’s worden niet alleen beïnvloed door de temperatuur, maar ook door de lokale spanning en de interactie met het substraat, tegelijkertijd capillaire interacties laten een niet-verwaarloosbare invloed zien op de grensvlakstroming op nanoschaal. Bovendien wordt binnen het juiste temperatuurbereik de atomaire stroming van het gewricht steeds adequater naarmate de behandeltijd toeneemt en wordt de kwaliteit van het gewricht steeds beter.”
Het in-situ verwarmingssysteem van de elektronenmicroscoop stelt ons in staat om de evolutie van de atomaire morfologische kenmerken tijdens het lassen van Ag-nanodraden direct waar te nemen en te analyseren. De auteur Xiaoying Ren legde uit: “In ons werk hebben we direct de excitatie en resorptie waargenomen van een groot aantal Ag-nanodeeltjes op het oppervlak van AgNW’s tijdens thermische excitatie, en het mechanisme van de vorming van nanodeeltjes kan te wijten zijn aan capillair-geïnduceerde oppervlaktediffusie en permeatie.”
De excitatie en reabsorptie van deze nanodeeltjes gaat gepaard met een geleidelijke vulling van de nanogaps met Ag-atomen, waarbij met toenemende tijd volledig gelaste nanoverbindingen worden gevormd.
Om het effect van lokale spanning op X-vormige nano-juncties verder te onderzoeken, ontdekten de auteurs dat AgNW’s bepaalde spanningsconcentraties genereren in de delen met kromming, en deze delen vertonen meestal lokale schade of breuk onder thermische excitatie in het volgende proces.
Tijdens de vorming van een X-gewricht zullen de bovenste nanodraden heftig stromen onder invloed van lokale spanning en temperatuur, en hun atomen zullen langs het oppervlak van de onderste nanodraden stromen en uiteindelijk een ingekapseld nano-gewricht vormen, wat leidt tot de vorming van een groot aantal defecten aan beide zijden van het bovenste nanodraadgewricht, en deze X-vormige nano-juncties zijn de eersten die breken aan beide zijden van de bovenste nanodraden tijdens het latere thermische excitatieproces.
Om de evolutie van het atomaire gedrag van Ag-nanodraden onder thermische excitatie en het mechanisme van thermische schade verder te analyseren, zei de auteur Chenchen Huang: “We hebben systematisch de Rayleigh-destabilisatie van Ag-nanodraden onder thermische excitatie geanalyseerd met behulp van moleculaire dynamische simulaties, en de resultaten laten zien dat Ag-nanodraden nanodeeltjes op gelijke afstand van elkaar vormen als gevolg van Rayleigh-destabilisatie bij hoge temperaturen.”
Professor Xuesong Mei zei: “Hoe de laskwaliteit van AgNWs-verbindingen effectief te verbeteren en de toepassingsstabiliteit van de verbindingen te waarborgen, is altijd de focus van onderzoek geweest. Met de verdere integratie en miniaturisatie van apparaten, de thermische gevoeligheid en thermische schademechanismen van nano -gewrichten in het aanvraagproces zullen in de toekomst ook steeds meer aandacht krijgen.”
Het onderzoek is gepubliceerd in het Internationaal tijdschrift voor extreme productie.
Meer informatie:
Jianlei Cui et al., Morfologische kenmerken en atomair evolutiegedrag van nanojoints in Ag nanowire interconnect-netwerk, Internationaal tijdschrift voor extreme productie (2023). DOI: 10.1088/2631-7990/acc434
Geleverd door International Journal of Extreme Manufacturing
