《Materials Today》：纳米尺度下“冷焊”机制是什么？

莱斯大学楼峻教授和陆洋博士在2010年发现金属纳米线在端部近距离接触时，无需外力便可以实现“焊接”，这时的温度在室温或远低于其熔点温度。由于低温不会对纳米材料的结构造成破坏，因此“冷焊”是实现由一维材料向二维/三维微纳电子元器件制造的理想技术。但是这个突破性的技术带来了理论上的分析困难。研究表明，冷焊可能就是弹性粘附接触（即使有较复杂的界面重组或类似晶界结构），但该过程与时间无关。相关冷焊研究出现了时间效应，或者很难出现类似现象。理论上的困难阻碍了该技术的进一步发展。

近日，纳米尺度冷焊原理得到了实质性的原理分析。在最新的材料科学顶级杂志Materials Today上，太原理工大学材料科学与工程学院董鹏副教授与美国田纳西大学高雁飞教授发表了“On the mechanistic origin of nanoscale ‘cold welding’”的工作。其主要结论是：小尺度纳米线接触是adhesive elastic contact，并且吸附力导致了应力梯度，从而造成了Coble扩散型蠕变。如果简单认为是纳米烧结，那么对应的冷焊速率将会比实验慢几个数量级。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.mattod.2024.09.013

图1 正交纳米线的接触区域随时间和温度发生变化。

图2 我们对比两组接触尺寸实验数据（扫描电镜和原子力显微镜），同时进行Coble扩散蠕变和表面张力引起的烧结分析。后者带来荒谬的表面能或者扩散系数。

我们把银纳米线正交接触，测量了接触尺寸随温度和时间的变化（图一）。在adhesive contact的情况下，接触边缘有很大拉应力，而接触中心是压应力。这个应力梯度带来了自扩散，从而我们导出冷焊生长的理论解。通过理论分析和实验数据的拟合（图二），我们发现Coble扩散蠕变是纳米尺度冷焊的主导机制。这一发现不仅为理解纳米尺度材料的焊接提供了新的视角，也为未来开发更高效、稳定的纳米制造技术提供了重要依据。

【作者简介】

董鹏，太原理工大学材料科学与工程学院副教授，研究方向为先进材料连接。

宋博，太原理工大学研究生，研究课题为纳米材料焊接原理。

翟鑫，太原理工大学研究生，研究课题为纳米材料焊接技术。

高雁飞，美国田纳西大学材料科学及工程系教授，研究方向为材料的力学性能。

来自微信公众号“材料科学与工程”。感谢论文作者团队大力支持。