多层金属纳米线的纳米切割机制

纳米结构加工中，应变率和切割方向对多层金属体系形貌演化和界面应力分布的影响机制研究。采用Au/Ag/Au纳米线为对象，通过实验与分子动力学模拟，揭示各向异性约束主导形态演化，切割方向决定应力释放路径，高应变率下Ag层应力不均引发裂纹和应变局部化，界面原子迁移为热-机-缺协同驱动过程，应变率诱导位错形成快速扩散通道。为纳米结构确定性加工提供理论支撑。

　　

叶玉婷|刘欢|严永达|耿彦全

中国哈尔滨工业大学机器人研究所机器人系统国家重点实验室，哈尔滨，黑龙江省150080

摘要

结构精度是决定纳米器件性能和可靠性的关键因素，实现高精度制造是纳米制造领域的核心目标。纳米切割为构建复杂的纳米结构开辟了新的途径，具有广泛的应用前景。然而，这一过程中的微观变形行为具有多尺度和多机制的强耦合特性，其形成和演变机制尚未得到充分阐明。特别是，应变率对异质界面应力分布的影响以及协同变形机制仍缺乏系统研究。本研究以Au/Ag/Au纳米线为研究对象，系统揭示了切割方向和应变率对原子尺度演变行为的影响机制。结果表明，形态演变主要受各向异性约束机制的控制，切割方向直接决定了应力释放路径的变化。在高应变率下，Ag层内的应力分布变得显著不均匀，导致Au/Ag界面处裂纹的产生，并引发明显的应变局部化。同时，层间原子迁移表现为热机械-缺陷耦合的驱动过程，其中应变率诱导的位错充当高速“管道扩散”通道。本研究系统阐明了高应变率下多层金属系统不稳定性行为与层间扩散之间的内在关联，为纳米结构的精确加工提供了理论基础。

引言

纳米结构在光电器件[1]、能量转换与存储[2]、催化[2]、环境修复[3]、新兴物理研究[3]和生物医学[3]等各个领域展现出巨大的应用潜力，这得益于它们独特的物理和化学性质，如量子霍尔效应[4]、高电子迁移率[5]、强磁响应[6]、出色的催化活性[7][8]以及优异的热导率[9]。纳米结构的光共振响应、载流子传输特性和机械性能对其几何尺寸和形态高度敏感。因此，高精度制造纳米结构对于优化其性能至关重要。目前制备纳米结构主要采用两种策略：自下而上（bottom-up）和自上而下（top-down）的方法。化学合成作为一种典型的自下而上方法，操作简单、易于扩展且合成效率高[10]。然而，由于过程的随机性和自发性，纳米结构在有序性和尺寸均匀性方面存在局限性。相比之下，自上而下的方法主要包括机械铣削、光刻、聚焦离子束（FIB）蚀刻和电子束蚀刻等技术，这些技术能够实现精确的定位和尺寸控制[11][12]，但方法复杂、成本较高且材料兼容性较差[13]。因此，开发一种操作简便、成本低廉且材料兼容性好的纳米制造方法已成为亟待解决的问题。

基于边缘光刻的一种新型纳米制造方法——纳米切割，在纳米结构构建中展现出显著优势[14][15]。它可以与光刻和蚀刻等微纳制造技术结合使用，定义图案轮廓，并通过纳米切割实现高精度图案转移[16][17]。同时，该方法支持多种沉积方式，如角度依赖性沉积和利用牺牲层作为间隔层的策略，从而实现多层堆叠和复杂几何形状的空间配置控制[18][19]。此外，该方法广泛应用于金属、半导体、电介质和导电聚合物等各种功能材料，能够构建单层或异质材料的结构[20]，充分展示了纳米切割在结构复杂性和架构灵活性方面的独特优势[21]。

然而，在实现纳米结构多样性的同时，加工精度和结构稳定性同样重要。加工过程涉及多种复杂的物理现象，包括材料去除、应力演变和界面滑移，这使得加工过程极易受到工艺参数和材料内在性质的综合影响。工具与薄膜之间的复杂相互作用主要包括以下四个方面[22][23][24]：（1）工具对薄膜的压缩；（2）垂直-水平过渡引起的弯曲应变；（3）来自水介质的表面张力；（4）界面摩擦产生的热效应。需要注意的是，水介质的表面张力主要影响纳米线从切割工具脱离后进入水面的漂浮行为和位置稳定性，并不参与切割瞬间材料所经历的机械变形过程。因此，在分析不同切割速度下的应变率形成机制时，可以合理忽略其影响。这些机械效应并非恒定，且对工艺条件非常敏感。切割速度、未切割厚度、工具几何角度和加工环境等因素会放大或减弱其强度，从而改变应力分布、缺陷演变和界面稳定性。作为速率依赖性变形的核心参数，应变率不仅全面反映了多种工艺条件对机械行为的耦合效应，还在机制层面上主导了塑性区域的演变、缺陷活性和界面响应。

应变率是影响纳米尺度材料变形行为的关键参数。Nguyen等人采用高压扭转法制备了纳米结构的Al₉(CoCrFeMnNi)₉₁高熵合金，在高温拉伸测试中，该合金在约5×10^-2 s^-1的应变率下表现出约2000%的超塑性伸长。值得注意的是，这一应变率处于超塑性变形的高应变率范围（通常为10^-4-10^-3 s^-1）。这些结果强调了晶界滑移和位错活动在超高应变率超塑性条件下的关键作用[25]。Yildiz等人基于分子动力学（MD）模拟发现，纳米晶多孔Au在不同应变率下的机械响应存在显著差异。随着应变率的增加，屈服强度和极限强度显著提高，而弹性模量变化有限，表明应变率效应主要源于缺陷激活和演变的调控，从而主导了塑性变形的起始机制[26]。Huang等人在综述中指出，高熵合金的机械响应对应变率高度敏感。高应变率常引发剪切局部化、相变触发和断裂模式转变，表明应变率是控制塑性机制演变和宏观机械性能调节的核心因素[27]。因此，应变率在缺陷生成速率、塑性机制选择、界面稳定性和结构演变中起主导作用，为理解速率依赖性纳米制造过程的形成精度和失效机制提供了重要的理论支持。

尽管上述研究系统地确立了应变率在控制纳米尺度材料变形行为中的关键作用，但在涉及复杂界面相互作用的纳米级切割过程中，应变率对变形行为的影响仍表现为明显的多尺度和多机制耦合，其背后的机制尚未完全阐明。首先，在纳米切割过程中，随着应变率的增加，材料的变形模式通常从分布式塑性变形转变为稳态剪切，甚至断裂。然而，关于这种变形模式转变的物理驱动机制仍缺乏共识。其次，在由具有截然不同机械性能的金属组成的多层异质系统中，层间应力的分布以及由应变率变化引起的局部不稳定性和断裂起始的相关机制尚需系统阐明。最后，需要进一步研究以建立实验观察到的形态演变和机械响应与原子尺度模拟揭示的应力集中和缺陷演变行为之间的系统关联。

在这种背景下，多层异质金属纳米线为研究纳米级切割中的应变率驱动变形行为提供了特别敏感和具有代表性的模型系统。以Au/Ag/Au多层纳米线为例，这种结构不仅在不同金属层之间表现出明显的机械响应和界面稳定性差异，还通过选择性蚀刻中间Ag层实现了金属纳米间隙的制备。因此，这类结构已被广泛应用于高灵敏度传感领域，如表面增强拉曼散射（SERS）[28]。在这些应用中，器件性能对纳米线尺寸和间隙尺度高度敏感，这使得纳米切割过程中由应变率引起的微小变形差异和局部不稳定行为容易被显著放大，从而对加工精度和结构稳定性提出了更高要求。图1展示了纳米切割过程中这类多层结构的形态演变、应力分布和不稳定性行为，并阐明了它们与应变率依赖性变形机制的内在关联。

实验细节

本研究使用超薄切片机切割环氧树脂嵌入的金属材料，设备结构如图2a所示。为进一步保证纳米切割的准确性，使用体视显微镜实时监控切割过程。通过精确调整移动平台的位置，可以精确控制工具与样品之间的距离。同时，使用旋转平台进行宏观方向调整。

不同切割方向下的变形行为和应力演变

为了系统地说明切割方向对Au/Ag/Au纳米线形态演变的影响，采用了两种加工路径：垂直切割和平行切割。实验条件下，未切割厚度设置为t = 150 nm，切割速度设置为V = 1 mm/s。垂直切割过程中，工具首先切割外层Au层，然后穿透中间Ag层，最终到达

结论

本研究以Au/Ag/Au多层纳米线为研究对象，结合实验结果和分子动力学（MD）模拟，系统分析了切割方向和应变率对纳米线变形机制和结构精度的影响。此外，还揭示了层间原子扩散的内部机制。主要结论如下：

(1)

通过将纳米切割技术与逐层沉积技术结合，

作者贡献声明

耿彦全：撰写 – 审稿与编辑、监督、研究、资金获取。严永达：撰写 – 审稿与编辑。刘欢：撰写 – 审稿与编辑、方法学研究、研究。叶玉婷：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化处理、研究、概念化设计

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢国家自然科学基金（52575484, 52222512）的财政支持。