电迁移与焦耳热协同效应驱动金属氧化物纳米结构合成的多物理场模拟研究

研究人员针对高电流密度下金属导线表面低维氧化物纳米结构合成机制不明确的问题，通过COMSOL Multiphysics建立多物理场耦合模型，揭示了电迁移(EM)与焦耳热协同作用对Mo/W线表面α-MoO3和γ-WO3纳米结构生长的调控规律，为金属氧化物纳米材料的可控制备提供了理论基准。

　　

在电子器件微型化趋势下，金属导线中的电迁移(EM)现象长期被视为导致电路失效的"元凶"——高电流密度引发的原子定向迁移会在导体表面形成空洞和丘突。然而这一"破坏性"过程却暗藏玄机：当金属阳离子在电子风力驱动下向表面迁移时，若能同步利用焦耳热效应(Joule heating)产生的局部高温，反而可成为合成低维纳米结构的创新方法。传统金属氧化物纳米材料制备通常需要复杂的气相沉积或溶剂热法，而通过金属导线直接电热氧化的"一步法"因其操作简便、耗时短（约1分钟）备受关注，但其物理机制尤其是EM与热效应的协同作用始终未被系统阐释。

为破解这一科学难题，研究人员在《Materials》发表的研究中构建了创新的多物理场模型。通过COMSOL Multiphysics软件模拟4.5A电流通过0.25mm钼线和16.5A电流通过0.5mm钨线的动态过程，首次建立了涵盖温度依赖性的密度(ρ)、电阻率(ρ_elec)、热导率(κ)和比热(C_p)的全参数方程。研究特别关注了外加电场（3.33×10⁴ V/m）对生长过程的调控作用，通过对比有无电场条件下的模拟数据，揭示了电场辅助降低活化能、加速表面结构生长的机制。

关键技术方面，研究采用有限元分析法耦合电磁学与热传导方程：通过求解电流连续性方程?·J=0和热传导方程ρC_p?T/?t=?·(κ?T)+Q_e，实现了对金属线三维温度场和电流密度分布的精确模拟。所有物性参数均采用自主开发的温度依赖方程，如钼线电阻率ρ_elec(T)=5.61388×10^-8·T^2.1948/(T^2.1948+82271.4) Ω·m，确保了在295-1500K宽温区的计算精度。

【温度分布与实验验证】
模拟显示钼线中心最高温度达955K（实验值910K），钨线达1480K（实验值1510K），误差<5%。电流密度分布图呈现特征振荡（图3），其波峰位置与实验观察到的氧化物成核位点精确对应，验证了电流密度梯度是结构生长的关键驱动力。

【电场调控效应】
施加横向电场后，电流密度振荡幅度降低40%，钼线温度场均匀性提升23%。这源于电场诱导的表面电荷重分布形成的霍尔效应，有效抑制了热梯度导致的原子流散度。

【材料特性演化】
密度分析显示钼线中心区域ρ下降18.5kg/m³（图5），远高于钨线的9.2kg/m³，这与钼更低杨氏模量（315-340GPa）导致的晶格变形能力更强直接相关。热导率κ的模拟结果完美符合Wiedemann-Franz定律，证实电子-声子耦合在能量传递中的主导作用。

【物性参数关联】
建立的普适性方程成功预测了：当电流密度达8-9×10³A/cm²时，钼线表面形成α-MoO₃（拉曼特征峰820cm^-1），钨线生成γ-WO₃（拉曼峰715cm^-1），与实验光谱（图4c,d）高度吻合。

这项研究通过建立电-热-力多场耦合模型，不仅阐明了EM与焦耳热的协同作用机制，更开发出可预测不同金属氧化物生长条件的普适性方法。特别值得注意的是，提出的温度依赖物性方程仅需单个初始值即可适应不同工艺条件，为MXenes等新型纳米材料的可控合成提供了重要理论工具。该成果将传统认为有害的EM效应转化为纳米制造的"助推器"，为开发绿色、低成本的金属氧化物纳米材料制备工艺开辟了新途径。