分子动力学模拟揭示Ni-Co合金电化学3D打印中原子排列与缺陷演变的微观机制

推荐：本研究针对Ni-Co合金电化学3D打印中原子级沉积的精确控制难题，通过建立双电层调控的电化学动力学模型，结合分子动力学（MD）模拟，系统分析了直流（DC）与脉冲电流（PC）对Ni-Co原子沉积的影响。结果表明，提高Co含量可优化原子排列并减少缺陷，PC电沉积通过降低晶体畸变显著提升沉积性能。该研究为原子级精度电化学制造提供了理论支撑，对推动先进制造技术发展具有重要意义。

　　

在纳米科技飞速发展的今天，原子级精密制造已成为航空航天、生物医疗和量子计算等尖端领域的关键技术。其中，电化学3D打印因其纳米级分辨率和材料兼容性优势备受关注，但Ni-Co合金沉积过程中原子排列无序、晶体缺陷多等问题严重制约其性能。传统方法如立体光刻和聚焦离子束技术存在成本高、材料受限等瓶颈，而电化学沉积虽能实现原子级操作，却缺乏对微观机制的深入理解。

针对这一挑战，中国某高校的研究团队在《Materials》发表重要成果，通过分子动力学（MD）模拟揭示了Ni-Co合金电化学沉积的原子尺度规律。研究创新性地构建了双电层（EDL）调控的电化学动力学模型，系统比较了直流（DC）与脉冲电流（PC）对沉积过程的影响。

研究采用LAMMPS软件建立7×7×10 nm³的模拟体系，包含Cu基底、Ni-Co离子和粗粒化溶剂粒子。通过控制离子插入频率模拟不同电流密度（18.1-72.6 mA/cm²），并设置20%-90%脉冲占空比和1.0-5.0×10⁹ Hz频率参数。采用嵌入原子法（EAM）和Lennard-Jones势函数描述原子相互作用，通过Common Neighbor Analysis（CNA）和位错线分析评估晶体结构。

3D生长形貌分析
研究发现Co含量提升至50%时沉积速率最快，且表面岛状突起减少。高Co比例（3:7）使表面粗糙度降至2.62 ?，归因于Co改变了Ni离子还原电位和表面扩散行为。

高度与原子数演变
DC条件下1.5 ps间隔电流密度使原子层覆盖最均匀，而PC电沉积在90%占空比时表面最平整，但原子数比DC减少42%，显示脉冲间歇促进原子重排。

晶体结构与位错
Co含量增加使六方密排（HCP）结构比例提升，位错线长度随脉冲频率增加而增长。70%占空比时位错线最长，但90%时出现大量亚稳态结构，表明非平衡态沉积特性。

原子缺陷特征
低电流密度（2.0 ps）使沉积密度达11.2 g/cm³，比0.5 ps条件高12%。高频脉冲（5.0×10⁹ Hz）显著降低表面缺陷，原子排列呈现完美晶格特征。

该研究首次从原子尺度阐明了Ni-Co电沉积的动力学机制，证实PC参数调控可优化晶体完整性。其中低占空比（20%）与高频脉冲的组合能同步降低表面粗糙度和位错密度，为原子精度电化学3D打印提供了关键理论依据。这一成果不仅解决了合金沉积中晶格畸变的技术瓶颈，更为"制造III"范式（Manufacturing III）的量子集成制造奠定了方法论基础，对开发新一代纳米器件和功能材料具有重要指导意义。