[论文解读] Statistical analysis of Ni nanowires breaking processes: a numerical simulation study

P. García‐Mochales, Ricardo Paredes+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 2, 2007

Molecular Junctions and NanostructuresEngineering参考文献 66被引用 19

一句话总结

本研究基于嵌入原子法（EAM）的分子动力学模拟，对不同温度、晶向取向和初始尺寸下的镍纳米线断裂过程进行统计分析。主要发现表明，[111]取向的纳米线在断裂前经历有序的单体和双体状态，而[100]和[110]取向则在 $ S_m \sim 5 $ 处表现出显著峰值，表明形成了稳定的错位五边形链结构；在室温下有序度降低，且无论取向如何，小尺寸纳米线中尺寸效应占主导地位。

ABSTRACT

A statistical analysis of the breaking behavior of Ni nanowires is presented. Using molecular dynamic simulations, we have determined the time evolution of both the nanowire atomic structure and its minimum cross section (Sm(t)). Accumulating thousands of independent breaking events, Sm histograms are built and used to study the influence of the temperature, the crystalline stretching direction and the initial nanowire size. The proportion of monomers, dimers and more complex structures at the latest stages of the breaking process are calculated, finding important differences among results obtained for different nanowire orientations and sizes. Three main cases have been observed. (A) [111] stretching direction and large nanowire sizes: the wire evolves from more complex structures to monomers and dimers prior its rupture; well ordered structures is presented during the breaking process. (B) Large nanowires stretched along the [100] and [110] directions: the system mainly breaks from complex structures (low probability of finding monomers and dimers), having disordered regions during their breakage; at room temperature, a huge histogram peak around Sm=5 appears, showing the presence of long staggered pentagonal Ni wires with ...-5-1-5-... structure. (C) Initial wire size is small: strong size effects independently on the temperature and stretching direction. Finally, the local structure around monomers and dimmers do not depend on the stretching direction. These configurations differ from those usually chosen in static studies of conductance.

研究动机与目标

• 理解在温度、晶体取向和初始尺寸等不同条件下镍纳米线断裂的统计行为。
• 识别纳米线断裂过程中原子尺度的结构演化，特别是最小截面 $ S_m(t) $ 的形成。
• 确定断裂最终阶段中单体、双体和复杂结构的出现频率。
• 评估温度和尺寸对结构有序性及与电导相关构型的影响。
• 将模拟得到的最小截面直方图与实验电导直方图进行比较，识别由无序、杂质或磁性效应引起的差异。

提出的方法

• 采用镍的嵌入原子法（EAM）势能模型进行分子动力学模拟，以描述原子间相互作用。
• 在受控条件下（温度、拉伸方向、初始尺寸）模拟数千次纳米接触断裂事件。
• 对纳米线的原子结构和最小截面面积 $ S_m(t) $ 进行时间分辨追踪。
• 通过累积的断裂事件构建 $ S_m $ 直方图，以分析统计分布。
• 分析最终原子构型，特别是单体和双体，以识别优选几何构型。
• 对比[111]、[100]和[110]拉伸方向下不同温度（4K至300K）的结果。

实验结果

研究问题

• RQ1 镍纳米线的晶向取向在断裂过程中如何影响最小截面 $ S_m $ 的统计分布？
• RQ2 温度在改变断裂过程中瞬态构型的结构演化与稳定性方面起什么作用？
• RQ3 初始纳米线尺寸及其尺寸效应在多大程度上影响断裂过程和最终原子构型？
• RQ4 为何实验测得的室温电导直方图显示宽峰，而当前模拟无法完全解释？
• RQ5 在断裂点处，哪些原子构型（如单体、双体、五边形链）最可能出现，且在不同取向间有何差异？

主要发现

• 对于初始尺寸较大的[111]取向纳米线，断裂过程经历高度有序的单体和双体状态，断裂前观察到这些构型的概率很高。
• 在[100]和[110]方向，$ S_m $ 直方图在 $ S_m \sim 5 $ 处出现显著峰值，表明形成了具有重复 …-1-5-1-5-… 结构的长而错位的五边形链，尤其在室温下表现明显。
• 该 $ S_m \sim 5 $ 峰值被证实源于稳定有序的五边形链结构，此特征此前未见于文献报道。
• 在室温下，[100]和[110]纳米线在断裂过程中表现出显著的结构无序性，与[111]纳米线中观察到的有序演化形成鲜明对比。
• 对于初始尺寸较小的纳米线，无论温度或取向如何，尺寸效应均主导断裂过程，导致 $ S_m $ 直方图呈现噪声大且复杂。
• 所有取向中单体和双体构型相似：单体最倾向采取2-1-3和2-1-4构型，而双体最常呈现3-1-1-4、3-1-1-3和4-1-1-4几何构型。