[논문 리뷰] Phase-field study of surface diffusion enhanced break-ups of nanowire junctions

Abhinav Roy, Arjun Varma외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 07. 05.

Fluid Dynamics and Thin Films참고 문헌 80인용 수 4

한 줄 요약

이 단계장 연구는 표면 확산이 곡률에 의해 운반되는 질량에 의해 나노와이어 접합부의 붕괴를 어떻게 촉진하는지 조사한다. 접합부는 레일리 불안정성에 의해 붕괴가 시작되며, 이 과정의 동역학은 주로 와이어 반지름, 교차 각도, 크기 불일치에 의해 결정되며, 접합부 밀도는 영향을 거의 미치지 못한다. 이방성 표면 에너지는 특정 면을 안정화시키고 붕괴 동역학을 느리게 한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 고온에서 금속 나노와이어가 상호작용할 때 표면 확산의 역할이 형태 변화와 붕괴에 어떻게 영향을 미치는지 이해하기 위해.
• 나노와이어 접합부가 곡률과 표면 에너지 이방성에 의해 유도되는 붕괴의 핵심 형성 부위로 작용하는 방식을 조사하기 위해.
• 와이어 반지름, 교차 각도, 크기 불일치, 접합부 밀도와 같은 기하학적 및 재료적 매개변수들이 붕괴 동역학에 미치는 영향을 규명하기 위해.
• 입체 표면 에너지 이방성의 영향을 곡률과 계면 형상 분포도를 사용하여 형태 변화와 안정성에 분석하기 위해.
• 중심 나노와이어 조각의 비구형 형태를 모멘트 관성 텐서와 궤도 반경을 사용하여 특성화하기 위해.

제안 방법

• 입체 대칭을 반영하기 위해 4차 텐서 항을 사용한 이방성 계면 에너지를 포함한 Cahn-Hilliard 기반 단계장 모델을 사용하였다.
• 표면 확산을 모의하기 위해 순서 매개변수에 의존하는 이동도를 도입하여 나노스케일 계면에서 질량 운반을 현실적으로 시뮬레이션하였다.
• 국소 형태 안정성과 곡률에 의한 진화를 분석하기 위해 주곡률 기반의 계면 형상 분포도(ISD) 지도를 사용하였다.
• 평균 곡률과 화학적 포텐셜 지도를 적용하여 <11> 방향에 따라 안정한 면이 선호적으로 형성되는 것을 설명하였다.
• 비구형 형태의 분리된 나노와이어 세그먼트를 정량적으로 특성화하기 위해 관성 텐서와 고유값을 활용하였다.
• 2차원 시뮬레이션을 수행하여 교차 각도(45° 및 90°), 와이어 반지름, 이방성 비율(Rσ < 1)를 변화시키며 시간에 따른 진화를 최대 20,000 단위까지 추적하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 표면 확산 하에서 나노와이어 접합부는 금속 나노와이어의 붕괴 시작과 동역학에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 와이어 반지름, 교차 각도, 크기 불일치, 접합부 밀도 중 어떤 것이 붕괴 과정에 상대적으로 더 큰 영향을 미치는가?
• RQ3 표면 에너지 이방성(특히 입체 <11> 대비 <10> 방향)은 나노와이어 조각의 안정성과 형태에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 곡률에 기반한 메커니즘과 계면 형상 분포도가 붕괴 순서를 얼마나 결정짓는가?
• RQ5 관성 텐서와 궤도 반경은 중심 조각의 변화하는 비구형 형태를 어떻게 정량적으로 기술할 수 있는가?

주요 결과

• 나노와이어 접합부는 붕괴의 주요 핵심 형성 부위로서, 팔이 레일리 불안정성에 들어가기 이전에도 곡률에 의해 운반되는 질량에 의해 붕괴가 시작된다.
• 붕괴 동역학은 교차하는 나노와이어의 반지름과 교차 각도에 크게 영향을 받으며, 크기 불일치가 클수록 비90도 각도일수록 과정이 빨라진다.
• 접합부 밀도는 붕괴 동역학에 거의 또는 영향을 미치지 않으며, 이는 국소적 기하학적 구조와 계면 에너지가 전반적인 네트워크 구조보다 더 우세하다는 것을 시사한다.
• 표면 에너지 이방성은 <11> 면을 안정화시켜 표면 법선이 에너적으로 유리한 방향으로 선호적으로 정렬되게 하며, 이는 전체 붕괴 동역학을 느리게 한다.
• 계면 형상 분포도(ISD) 지도와 평균 곡률 분석은 고곡률 영역과 화학적 포텐셜 기울기의 존재가 질량 유량과 붕괴를 유도함을 확인한다.
• 관성 텐서와 유도된 궤도 반경(R1, R2, R3)은 중심 조각의 비구형이고 기하학적으로 길쭉한 형태를 성공적으로 정량화하였으며, 분리 후 이방성 형태 진화를 드러냈다.