[论文解读] 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 4

一句话总结

本相场研究探讨了表面扩散如何通过曲率驱动的质量输运增强纳米线结的断裂，表明结通过瑞利不稳定性引发断裂。动力学主要受线径、交叉角和尺寸失配的影响，而结密度的影响可忽略不计；各向异性表面能可稳定特定晶面并减缓断裂动力学。

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.

研究动机与目标

• 理解表面扩散在高温下对交叉金属纳米线形态演化及断裂的作用。
• 研究纳米线结如何作为断裂的成核位点，受曲率和表面能各向异性驱动。
• 确定几何与材料参数——线径、交叉角、尺寸失配和结密度——对断裂动力学的影响。
• 利用曲率和界面形貌分布图分析立方表面能各向异性对形态演化和稳定性的影响。
• 通过惯性矩张量和回转半径表征中心纳米线碎片的非球形形状。

提出的方法

• 采用基于Cahn-Hilliard的相场模型，通过四阶张量项表示表面能的立方对称性，引入各向异性界面能。
• 引入与序参量相关的迁移率以模拟增强的表面扩散，实现对纳米尺度界面质量输运的真实模拟。
• 基于主曲率的界面形貌分布（ISD）图用于分析局部形态稳定性与曲率驱动的演化行为。
• 应用平均曲率和化学势图以解释沿<11>方向稳定晶面的优先形成。
• 利用惯性矩张量及其特征值定量表征断裂纳米线段的非球形形状。
• 开展二维模拟，变化交叉角（45°和90°）、线径和各向异性比（Rσ < 1），时间演化追踪至20,000个单位。

实验结果

研究问题

• RQ1 在表面扩散作用下，纳米线结如何影响金属纳米线断裂的起始与动力学？
• RQ2 线径、交叉角、尺寸失配和结密度对断裂过程的相对影响如何？
• RQ3 表面能各向异性（特别是立方<11>与<10>方向）如何影响纳米线碎片的稳定性和形态？
• RQ4 曲率驱动机制与界面形貌分布在多大程度上主导断裂序列？
• RQ5 惯性矩张量与回转半径如何定量描述中心碎片演化过程中的非球形形态？

主要发现

• 纳米线结作为断裂的主要成核位点，即使在臂部尚未发生瑞利不稳定性之前，也通过曲率驱动的质量输运引发断裂。
• 断裂动力学强烈受交叉纳米线线径和交叉角的影响，尺寸失配越大、交叉角非90°时，断裂过程越快。
• 结密度对断裂动力学影响极小，表明局部几何结构与界面能主导于整体网络拓扑结构。
• 表面能各向异性稳定<11>晶面，导致表面法线优先沿能量有利方向排列，从而减缓整体断裂动力学。
• 界面形貌分布（ISD）图与平均曲率分析证实，高曲率区域与化学势梯度区域驱动质量通量与断裂。
• 惯性矩张量及其导出的回转半径（R1, R2, R3）成功量化了中心碎片的非球形、长条形形态，揭示了断裂后的各向异性形状演化。