陈念科,李贤斌

(吉林大学 电子科学与工程学院,集成光电子学国家重点实验室,长春 130012)

铜纳米线拉伸断裂过程的原子尺度分子动力学模拟

陈念科,李贤斌

(吉林大学 电子科学与工程学院,集成光电子学国家重点实验室,长春 130012)

基于经典力学势函数的分子动力学模拟方法研究铜纳米线的拉伸断裂过程,并分析断裂前应力、 应变和位错行为的关系及断裂后的形貌演化. 结果表明: 纳米线两端的锥形结构可阻塞位错运动,从而提高其断裂强度; 断裂后断口处尖锐的尖端结构形貌会发生自发的回缩和钝化,该过程是尖端上储存的弹性能和的高能结构(如孤立原子、 孪晶界和表面弯折等)的自我修复,最终在表面上形成许多能量较低的(111)小平面所致; 其物理机理是在温度激活下的能量最小化过程.

铜纳米线; 材料断裂; 位错运动; 微观形貌

当材料尺寸降低为纳米量级后,其力学性能将提升,如具有较高的强度和硬度[1-2]以及较好的韧性和塑性[3]等. 其中金属纳米材料具有广阔的应用前景. 如金属铜纳米线可通过结构的重构而具有形状记忆功能[4]; 实验已观察到铜纳米线达到了其理论弹性极限[5]. 纳米材料的力学性能相对于其体材料有较大提升,这是因为在纳米尺度下,材料中的位错等缺陷作用及行为均发生变化所致[6-7]. 透射电镜(TEM)可直接观测材料中的位错行为,是研究微观缺陷机制的主要方法[6-8]. 分子动力学模拟在原子尺度、 定量分析和超短时间尺度内的动力学过程分析等方面具有较大优势[9-13]. 在实际应用中,拉伸断裂是较常见的一种金属纳米线疲劳方式,断裂过程较快,适用于分子动力学模拟方法. 文献[14]报道了[112]轴向的铜纳米线拉伸断裂过程,观察到断裂后的晶态纳米线会在回弹力作用下表现出与液态/橡胶一样的大幅度应变可恢复行为. 本文用分子动力学模拟方法研究[112]取向的金属铜纳米线拉伸断裂过程,并对其中的位错行为、 形貌变化及其影响因素进行分析.

1 计算方法

采用由Mishin等[15]构造的原子镶嵌(EAM)势函数描述铜原子间的相互作用,用LAMMPS软件[16]进行分子动力学模拟. 模拟系综为NVT(系统原子数N、 体积V和温度T保持不变),温度为300 K,步长为0.001 ps. 模型采用面心立方结构,晶格常数为0.361 5 nm； 模型为直径2 nm的[112]轴向圆柱. 应变率为109s-1.

2 结果与讨论

图1 模拟拉伸时结构随时间的演化(A)～(H)、 拉伸过程的应力-应变曲线(I)及局部区域应变(J)～(M)Fig.1 Snapshots of structure evolution during fracture process (A)—(H),global stress-strain curve (I) and local strains (J)—(M)

2.1 结构演化及应力应变曲线 图1(A)～(H)为模拟拉伸时结构随时间的演化情况. 由图1(A)～(H)可见,材料以常见的颈缩形式发生断裂. 图1(I)为拉伸过程的应力-应变曲线. 由图1(I)可见,整体的弹性应变约为5.59%,屈服强度约为5.41 GPa. 图1(J)～(M)为从结构中直接测量估算的局部区域应变情况,其中(J)为初始结构,(K)为达到屈服强度前(ε=5.36%<5.59%)的局部区域应变. 由图1(C)～(E)可见,颈缩由位错滑移开始,进一步拉伸可使结构在某一时间段恢复有序结构,经测量局部弹性应变为6.11%和8.77%,大于整体的弹性应变. 从结构上可见,此时颈缩中间有序部分的两端形成锥形结构,即两端比中间粗的结构,因此两端的锥形结构阻碍了位错进一步运动,从而增加了局部弹性应变.

2.2 两端锥形结构对力学性能的影响 锥形结构对位错行为的影响如图2所示,其中图2(A)为一个短纳米线模型(7.1 nm)的应力-应变曲线. 由图2(A)可见,在发生较大形变前有3个强度较大的尖峰,与在铜纳米线拉伸实验中观察到的现象类似[8,17-18]. 图2(B)～(E)与(G)～(J)为相同结构在拉伸过程中位错的演化截图,其中(B)～(E)分别对应(G)～(J). 由图2(B)～(J)可见: 在第一个尖峰后产生偏位错,但并未沿滑移方向贯通纳米线,而是被两端结构阻塞,因此应力略有下降； 继续拉伸另外的偏位错运动将原来的偏位错湮灭在表面,结构又重新恢复有序,因此在第二个尖峰前,应力-应变曲线仍接近弹性应变的直线,并使新的屈服强度变得更高; 若继续拉伸,则再次形成偏位错,并被阻塞后再次形成有序结构,即对应第三个峰. 图2(F)为一个较长纳米线模型(11.8 nm)的应力-应变曲线及缺陷图. 由图2(F)可见,位错区较大,两端结构的阻碍作用较小,因此未出现使断裂强度增大的应力-应变曲线峰. 即这种不均匀的两端锥形结构会通过阻碍偏位错运动起到增加材料强度的作用.

(A) 短纳米线模型的应力-应变曲线; (B)～(E),(G)～(J) 相同结构在拉伸过程中位错的演化截图；(F) 长纳米线模型的应力-应变曲线及缺陷图.

2.3 断裂后断口尖端的形貌变化 图3给出了图1拉伸断裂行为后的断口尖端形貌原子尺度下的演化情况. 由图1(F),(H)可见,断裂后的断口尖端回缩应变约为22.5%,形貌由尖锐变得较圆钝. 图3选取了从223～301 ps的演化截图. 由图3可见,该演化主要由以下几个过程构成：

1) 位于尖端处的原子向根部滑动,使形貌更平滑,即表面积减小(图3(A)～(D));

2) 位于尖端处的孪晶界(图3(F)中黑线处)会通过滑移退孪晶,使形貌更平滑(图3(E)～(H))；

3) 位于尖端处的表面弯折,通过滑移消除不平整的结构(图3(K)～(N));

4) 一些位于表面的孤立原子或较少原子通过扩散填充到其他不平整处,最终将尖端形貌变得平滑圆钝(图3(I),(J),(O),(P)).

断口尖端自发钝化后的(111)小平面如图4所示. 由图4可见,表面上形成许多(111)小平面.

图3 不同视角下纳米线断裂后断口处的形貌演化Fig.3 Morphology evolutions of the fracture after fracture from different perspectives

图4 断口尖端自发钝化后的(111)小平面Fig.4 Facets (111) on fracture after the morphology spontaneously become obtuse

综上,本文通过分子动力学模拟方法研究了铜纳米线的拉伸断裂行为. 结果表明: 纳米线两端的锥形结构可阻塞位错运动,从而增加其力学强度； 断裂后的高能尖锐结构会通过扩散和滑移等方式消除能量较高的孤立原子、 孪晶界和表面弯折等,高能结构自发回缩,形成较平滑圆钝的结构,其物理机理是在温度激活下的能量最小化过程.

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(责任编辑： 王 健)

FractureofCuNanowireuponStretchbyAtomicScaleMolecularDynamicSimulation

CHEN Nianke,LI Xianbin
(CollegeofElectronicScienceandEngineering,StateKeyLaboratoryonIntegratedOptoelectronics,
JilinUniversity,Changchun130012,China)

To explore the fracture mechanism of metal nanowires,a fracture process of Cu nanowire upon stretch was theoretically studied by molecular dynamic (MD) simulations based on embedded-atom method (EAM) potential. The relationship between stress,strain and dislocation before fracture as well as the morphology evolution after fracture was analyzed. The results demonstrate that the tips on the two ends of the nanowire can stuck the dislocation motion. Then the stacking fault by the first partial dislocation could be annihilated by a full dislocation formed by another partial dislocation. This process can thus enhance the fracture strength. The sharp structure after fracture can retract and become obtuse spontaneously. The atomic scale analysis of the morphology change demonstrates that the fracture is a process of eliminating the high energy structures,such as isolated atoms,twin boundary and surface kink. The surface of the fracture finally emerge many (111) facets with lower energies. Therefore the physical mechanism is attributed to the rule of energy minimization.

Cu nanowire; material fracture; dislocation motion; micro-morphology

2013-12-28.

陈念科(1989—),男,汉族,硕士研究生,从事理论模拟的研究,E-mail: nianke_chen@hotmail.com. 通信作者： 李贤斌(1981—),男,汉族,博士,从事理论模拟的研究,E-mail: lixianbin@jlu.edu.cn.

国家自然科学基金(批准号： 11104109).

TN304

A

1671-5489(2014)05-1039-05