第36卷第3期 北京科技大学学报 Vol.36 No.3 2014年3月 Journal of University of Science and Technology Beijing Mar.2014 金纳米颗粒烧结的分子动力学模拟 吴 茂)四，常玲玲，崔亚男”，陈晓玮”，何新波”，曲选辉” 1)北京科技大学新材料技术研究院，北京1000832)北京控制工程研究所，北京100190 ☒通信作者，E-mail:wumao@ustb.cdu.cm 摘要采用分子动力学模拟方法研究了不同尺寸A“纳米颗粒在烧结过程中晶型转变及烧结颈长大机制.研究发现纳米颗 粒的烧结颈生长主要分为两个阶段：初始烧结颈的快速形成阶段和烧结颈的稳定长大阶段，不同尺寸纳米颗粒烧结过程中烧 结颈长大的主要机制不同：当颗粒尺寸为4m时，原子迁移主要受晶界（或位错)滑移、表面扩散和黏性流动控制：当尺寸在6 m左右时，原子迁移主要受晶界扩散、表面扩散和黏性流动控制：当颗粒尺寸为9m时，原子迁移主要受晶界扩散和表面扩 散控制.烧结过程中Au颗粒的fC℃结构会向无定形结构转变.此外，小尺寸的纳米颗粒在烧结过程中由于位错或晶界滑移、 原子的黏性流动等因素会形成hcp结构. 关键词金：纳米颗粒：烧结；分子动力学模拟：生长动力学；晶型结构 分类号TF124 Molecular dynamics simulation for the sintering process of Au nanoparticles WU Mao,CHANG Ling-ing,CUl Ya-nan,CHEN Xiao-ei,HE Xin-bo",QU Xuan-hui) 1)Institute of Advanced Materials,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)Beijing Institute of Control Engineering,Beijing 100190.China Corresponding author,E-mail:wumao@ustb.edu.cn ABSTRACT The sintering process of gold nanoparticles was investigated using molecular dynamics simulation,and the detailed crys- tal structure transformation and neck growth mechanisms were identified and analyzed for different particle sizes.It is found that the co- alescence of two nanoparticles experiences two stages,which are the initial rapid neck formation and stable neck growth.Simulation re- sults show that different particle sizes lead to different neck growth mechanisms.When the particle size is 4 nm,the major neck growth mechanisms are grain-boundary/dislocation slid,surface diffusion,and viscous flow.For the particles with the size of about 6 nm,the major neck growth mechanisms are grain-boundary diffusion,surface diffusion,and viscous flow.But when the particle size is 9 nm, the major neck growth mechanisms are grain-boundary diffusion and surface diffusion.During the sintering process,the fcc structure of the particles transforms to amorphous structure gradually.Besides,the hcp crystal structure forms in the small sized particles because of grain-boundary slid or viscous flow KEY WORDS gold;nanoparticles:sintering:molecular dynamics simulation:growth kinetics:crystal structure 电子浆料是混合集成电路、敏感元器件和表面 烧结等工艺，浆料可在陶瓷等基片上固化形成导电 组装等技术的基础材料，广泛应用于航空、航天、电 膜同.固相烧结是电子浆料制备成电路或焊点的关 子计算机、测量与控制系统、传感器、高温集成电路、 键工艺环节，它是指在低于金属熔点的一定温度下 民用电子产品等诸多领域-习.Au浆具有优异的性 保温，使金属颗粒间形成烧结颈并逐渐致密化的过 能，是最常见的电子浆料之一，经过丝网印刷、烘干、 程.由于电子浆料烧结后形成的导电膜或焊点与 收稿日期：20130403 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51204016)：高等学校博士学科点专项科研基金资助项目(20120006120011)：中央高校基本科研业务 费专项资金资助项目(FRF-TP-12-154A):国家博士后科学基金资助项目(11175020) DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2014.03.011:http://journals.ustb.edu.cn第 36 卷 第 3 期 2014 年 3 月 北京科技大学学报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol． 36 No． 3 Mar． 2014 金纳米颗粒烧结的分子动力学模拟 吴 茂1) ，常玲玲2) ，崔亚男1) ，陈晓玮1) ，何新波1) ，曲选辉1) 1) 北京科技大学新材料技术研究院，北京 100083 2) 北京控制工程研究所，北京 100190  通信作者，E-mail: wumao@ ustb． edu． cn 摘 要 采用分子动力学模拟方法研究了不同尺寸 Au 纳米颗粒在烧结过程中晶型转变及烧结颈长大机制． 研究发现纳米颗 粒的烧结颈生长主要分为两个阶段: 初始烧结颈的快速形成阶段和烧结颈的稳定长大阶段． 不同尺寸纳米颗粒烧结过程中烧 结颈长大的主要机制不同: 当颗粒尺寸为 4 nm 时，原子迁移主要受晶界( 或位错) 滑移、表面扩散和黏性流动控制; 当尺寸在 6 nm 左右时，原子迁移主要受晶界扩散、表面扩散和黏性流动控制; 当颗粒尺寸为 9 nm 时，原子迁移主要受晶界扩散和表面扩 散控制． 烧结过程中 Au 颗粒的 fcc 结构会向无定形结构转变． 此外，小尺寸的纳米颗粒在烧结过程中由于位错或晶界滑移、 原子的黏性流动等因素会形成 hcp 结构． 关键词 金; 纳米颗粒; 烧结; 分子动力学模拟; 生长动力学; 晶型结构 分类号 TF 124 Molecular dynamics simulation for the sintering process of Au nanoparticles WU Mao1)  ，CHANG Ling-ling2) ，CUI Ya-nan1) ，CHEN Xiao-wei1) ，HE Xin-bo1) ，QU Xuan-hui1) 1) Institute of Advanced Materials，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China 2) Beijing Institute of Control Engineering，Beijing 100190，China  Corresponding author，E-mail: wumao@ ustb． edu． cn ABSTＲACT The sintering process of gold nanoparticles was investigated using molecular dynamics simulation，and the detailed crys￾tal structure transformation and neck growth mechanisms were identified and analyzed for different particle sizes． It is found that the co￾alescence of two nanoparticles experiences two stages，which are the initial rapid neck formation and stable neck growth． Simulation re￾sults show that different particle sizes lead to different neck growth mechanisms． When the particle size is 4 nm，the major neck growth mechanisms are grain-boundary / dislocation slid，surface diffusion，and viscous flow． For the particles with the size of about 6 nm，the major neck growth mechanisms are grain-boundary diffusion，surface diffusion，and viscous flow． But when the particle size is 9 nm， the major neck growth mechanisms are grain-boundary diffusion and surface diffusion． During the sintering process，the fcc structure of the particles transforms to amorphous structure gradually． Besides，the hcp crystal structure forms in the small sized particles because of grain-boundary slid or viscous flow． KEY WOＲDS gold; nanoparticles; sintering; molecular dynamics simulation; growth kinetics; crystal structure 收稿日期: 2013--04--03 基金项目: 国家自然科学基金资助项目( 51204016) ; 高等学校博士学科点专项科研基金资助项目( 20120006120011) ; 中央高校基本科研业务 费专项资金资助项目( FＲF--TP--12--154A) ; 国家博士后科学基金资助项目( 11175020) DOI: 10． 13374 /j． issn1001--053x． 2014． 03． 011; http: / /journals． ustb． edu． cn 电子浆料是混合集成电路、敏感元器件和表面 组装等技术的基础材料，广泛应用于航空、航天、电 子计算机、测量与控制系统、传感器、高温集成电路、 民用电子产品等诸多领域［1--2］． Au 浆具有优异的性 能，是最常见的电子浆料之一，经过丝网印刷、烘干、 烧结等工艺，浆料可在陶瓷等基片上固化形成导电 膜［3］． 固相烧结是电子浆料制备成电路或焊点的关 键工艺环节，它是指在低于金属熔点的一定温度下 保温，使金属颗粒间形成烧结颈并逐渐致密化的过 程［4］． 由于电子浆料烧结后形成的导电膜或焊点与