环境分子吸附下Pt/Pt接触表面损伤行为与机理研究

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铂(Pt)因其高杨氏模量、高硬度和高导电性而被广泛用作微/纳机电设备的电接触材料。然而,由于其较高的化学活性,环境分子极易吸附在接触表面,这将显著地影响纳米机电开关的接触可靠性和使用寿命,限制其商业化应用。因此,关于纳米机电开关失效行为与机理的研究显得尤为重要。本文应用Reax FF反应力场分子动力学模拟方法,从原子尺度上研究了界面苯分子、氧分子吸附及外加电压对Pt/Pt接触表面损伤行为的影响机制。主要研究内容如下:(1)模拟了Pt/苯/Pt模型的接触和分离过程,研究了界面苯分子在不同覆盖率和基底晶面相对取向条件下的吸附结构和分布形态,及其对Pt(111)表面损伤行为的影响。研究发现界面苯分子存在顶位、空位和倾斜三种吸附结构,位于不同吸附结构的苯分子与基底表面之间的成键情况有显著差异,从而对基底表面损伤产生了不同的影响;通过计算接触过程中形成的界面桥键数量,将其与分离结束时的基底表面损伤量进行拟合分析,揭示了Pt/苯/Pt接触界面的损伤机理,即基底表面Pt原子在界面Pt-Bz-Pt桥键的拉伸作用下脱离其原始表面。(2)模拟了在外加电压作用下Pt/苯/Pt模型的接触和分离过程,研究了外加电压对Pt(111)表面损伤演变的影响。与无电压模型相比较,发现外加电压导致基底表面损伤更严重;通过观察界面苯分子分布形态,计算界面桥键数量及分析电荷转移对化学键强度的影响,揭示了外加电压加剧基底表面损伤的作用机理,主要是因为外加电压促使更多界面Pt-Bz-Pt和Pt-Pt桥键形成,而且增大了界面桥键的强度,导致基底表面Pt原子更容易被拉出原始表面。(3)模拟了Pt/(苯+氧)/Pt模型的接触和分离过程,研究了氧吸附对Pt(111)表面损伤行为的影响。研究发现基底表面损伤机理是基底表面Pt原子在界面Pt-Bz-Pt、Pt-O(O2)-Pt和Pt-Bz-O(O2)-Pt桥键的拉伸作用下脱离其原始表面。与Pt/苯/Pt模型相比较,发现界面氧分子的存在减小了基底表面损伤。通过考察界面苯分子、氧分子的分布形态,计算接触过程中界面桥键数量,并分析界面桥键数量与基底表面损伤量之间的关系,揭示了界面氧分子减小基底表面损伤的作用机理,即氧存在的条件下界面桥键总数量、界面桥键导致基底表面发生损伤的概率均小于无氧情形。本文的研究内容有助于理解环境分子吸附和外加电压对Pt(111)表面损伤行为的影响机制,对于研究微/纳机电设备的失效机制及其可靠性提升方面具有一定的理论指导意义。
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