[論文レビュー] Phase-field study of surface diffusion enhanced break-ups of nanowire junctions

Abhinav Roy, Arjun Varma+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 5, 2021

Fluid Dynamics and Thin Films参考文献 80被引用数 4

ひとこと要約

この相場相分野研究では、曲率駆動質量輸送によるナノワイヤ接合部の破壊が表面拡散によってどのように促進されるかを調査しており、接合部がレイリー不安定性によって破壊を開始することを示している。運動速度は主にワイヤの半径、交差角、サイズ不一致に依存するが、接合部密度の影響は無視できるほど小さい。さらに、表面エネルギーの異方性が特定の面を安定化させ、破壊運動速度を遅くする。

ABSTRACT

Using a phase-field model which incorporates enhanced diffusion at the nanowire surfaces, we study the effect of different parameters on the stability of intersecting nanowires. Our study shows that at the intersection of nanowires, sintering (curvature driven material flow) leads to the formation of junctions. These junctions act the initiators of nanowire break-up. The subsequent break-ups take place due to Rayleigh instability at the arms away from these junctions. Finally, at long time scales, the fragments coarsen due to the differences in sizes. The radii of the nanowires that form the junction, the difference in size of the intersecting nanowires and the angle of intersection play a dominant role in determining the kinetics of break-up while the density of intersections has little or no effect on the kinetics. We rationalise our results using maps of (i) mean curvatures (and, hence, chemical potentials), and, (ii) Interfacial Shape Distributions (ISDs) (which are based on probability densities associated with different combinations of the two principal curvatures). Finally, we use the moment of inertia tensor to characterise the (non-spherical) shapes and morphologies of (central) nanowire fragments at the junctions.

研究の動機と目的

• 高温下における金属ナノワイヤの交差部における表面拡散の役割が、形態的進化および破壊に与える影響を理解すること。
• ナノワイヤ接合部が、曲率および表面エネルギーの異方性によって駆動される破壊の核化サイトとしてどのように機能するかを調査すること。
• ワイヤの半径、交差角、サイズ不一致、接合部密度といった幾何学的および材料的パラメータが破壊運動速度に与える影響を特定すること。
• 立方晶表面エネルギーの異方性が、曲率および界面形状分布マップを用いて形態的進化および安定性に与える影響を分析すること。
• モーメント・オブ・インertiaテンソルおよび半径の慣性を用いて、中央に位置するナノワイヤ断片の非球形形状を特徴付けること。

提案手法

• 立方晶対称性を表現する4次テンソル項を用いた異方的界面エネルギーを有する、Cahn-Hilliard型の相場相分野モデルを採用した。
• 秩序パラメータに依存する移動度を組み込み、表面拡散をモデル化することで、ナノスケール界面における質量輸送の現実的なシミュレーションを可能にした。
• 主曲率に基づく界面形状分布（ISD）マップを用いて、局所的な形態的安定性および曲率駆動進化を分析した。
• 平均曲率および化学ポテンシャルマップを用いて、<11>方向に沿った安定な面の優先的形成を合理的に説明した。
• モーメント・オブ・インertiaテンソルおよび固有値を用いて、破断ナノワイヤセグメントの非球形形状を定量的に特徴付けた。
• 2次元シミュレーションを実施し、交差角（45°および90°）、ワイヤ半径、異方性比（Rσ < 1）を変化させ、時間発展を最大20,000単位まで追跡した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 表面拡散下での金属ナノワイヤにおいて、ナノワイヤ接合部が破壊の開始および運動速度にどのように影響を与えるか。
• RQ2 ワイヤの半径、交差角、サイズ不一致、接合部密度が破壊プロセスに与える相対的影響は何か。
• RQ3 表面エネルギーの異方性（特に立方晶<11>対<10>方向）が、ナノワイヤ断片の安定性および形態に与える影響は何か。
• RQ4 曲率駆動メカニズムおよび界面形状分布が、破壊の順序をどれほど支配するか。
• RQ5 モーメント・オブ・インertiaテンソルおよび慣性半径は、中心断片の進化する非球形形態をどのように定量的に記述できるか。

主な発見

• ナノワイヤ接合部は、破壊の主な核化サイトとして機能し、腕がレイリー不安定性にかかわらず、曲率駆動質量輸送によってすでに破壊を開始する。
• 破壊運動速度は、交差するナノワイヤの半径および交差角に強く依存しており、大きなサイズ不一致や90°でない角度では、プロセスが加速される。
• 接合部密度は破壊運動速度にほとんど影響しないことから、局所的な幾何学的形状および界面エネルギーが、グローバルなネットワークトポロジーを上回って支配的であることが示された。
• 表面エネルギーの異方性により<11>面が安定化され、エネルギー的に有利な方向に表面法線が優先的に整列し、全体の破壊運動速度が遅くなる。
• 界面形状分布（ISD）マップおよび平均曲率解析により、高曲率領域および化学ポテンシャル勾配の高い領域が質量フラックスおよび破壊を引き起こすことが確認された。
• モーメント・オブ・インertiaテンソルおよび導出された慣性半径（R1, R2, R3）は、中心断片の非球形で細長い形態を的確に定量的に記述でき、破壊後の異方的形状進化を明らかにした。