热场驱动银纳米线尺寸演化机制及其纳米修复应用：分子动力学研究

为解决微纳器件缺陷修复中激光功率控制难题，研究人员通过LAMMPS分子动力学模拟，揭示银纳米线在热场下的尺寸演化规律。发现表面熔融相温度可促进轴向尺寸增大，并阐明原子向端面中心迁移的修复机制，为热场精准调控纳米修复提供理论依据。

　　

在柔性电子和智能穿戴设备迅猛发展的今天，银纳米线因其优异的导电性和透光性成为微纳器件的核心材料。然而，这些直径仅数纳米的“电子血管”在电流过载或机械变形时极易产生纳米级间隙和裂纹，就像断裂的神经末梢般导致电路瘫痪。更棘手的是，传统激光修复技术如同“双刃剑”——功率不足无法愈合缺陷，稍一过量又会将纳米线熔成球状或直接气化。这种“差之毫厘，谬以千里”的困境，使得科学家们开始探索更精准的热场调控修复策略。

湖北电子制造与封装集成重点实验室的研究团队在《Materials Science in Semiconductor Processing》发表论文，通过分子动力学模拟揭开了热场修复的奥秘。他们发现，当温度升至表面熔融相（低于熔点）时，银纳米线会像“拉长的弹簧”般实现轴向尺寸扩张。这种反常现象并非单纯的热膨胀，而是表面原子在热驱动下向端面中心迁移的结果。这种独特的原子运输机制，恰好为纳米间隙的“搭桥修复”创造了条件。

研究采用LAMMPS（大规模原子分子并行模拟器）软件构建5-8 nm直径的银纳米线模型，通过NVT（恒温恒容）系综模拟热场作用。关键创新在于建立了纳米间隙和纳米凹坑的双模型系统，并采用嵌入原子法（EAM）势函数精确描述银原子相互作用。

尺寸演化部分揭示：温度梯度会引发银纳米线“三段式”相变——稳态升温、变斜率升温和二次稳态升温。直径5 nm的纳米线在10 K/ps加热速率下，轴向长度可比原始尺寸增加8.3%，这种“热致伸长”效应在表面熔融相（约700-1100 K）达到峰值。

纳米间隙修复机制显示：2 nm间隙在表面熔融相温度下，两侧银原子会形成“原子桥”完成自愈合。而纳米凹坑修复则依赖表面扩散，高温显著提升原子迁移率，使直径7.5 nm纳米线上的凹坑在900 K时修复效率达92%。

这项研究颠覆了传统热膨胀理论认知，提出“表面熔融相温度窗”概念——既需足够热能驱动原子迁移，又要避免整体熔化导致的球化。该发现为微纳器件制造提供了精准的温度调控指南：修复纳米间隙宜采用中低温长时热处理，而纳米凹坑则需短时高温冲击。这种“量体裁衣”式的修复策略，有望推动柔性电子器件可靠性提升一个数量级。

研究团队特别指出，未来可结合等离子体激元（plasmonic）效应进一步降低修复能耗。这项由中国国家自然科学基金（项目号52305612、U20A6004）资助的成果，标志着我国在纳米精准制造领域取得重要理论突破。