《Journal of Aerosol Science》：Insights into amorphous silicon nanoparticle impacts on crystalline silicon through molecular dynamics
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本研究通过分子动力学模拟，探究了无定形硅纳米颗粒在结晶硅基底上的高速冲击行为，揭示了不同速度（0.5-4.0 km/s）和尺寸（5-13 nm）下颗粒的粘附、反弹及破碎机制，为优化冷喷涂工艺提供了理论依据。
Nicolás Amigo|Neyling Macalopú
物理系，自然科学、数学与环境学院，智利圣地亚哥首都技术大学，Las Palmeras 3360，?u?oa 7800003
引言
冷喷涂作为一种重要的增材制造技术，因其能够以固态形式沉积多种材料而受到关注（Champagne和Helfritch，2016年；G?rtner等人，2006年；Papyrin，2001年）。与热喷涂工艺不同，热喷涂过程中颗粒被加热到接近熔点的温度，而冷喷涂依靠以超音速运动的固态颗粒，在撞击时通过严重的塑性变形实现结合。这一过程减少了与熔化和快速固化相关的问题，如氧化、相变或残余热应力（Karthikeyan，2007年；Smith，2007年；Stoltenhoff等人，2006年）。由于这些优势，冷喷涂已应用于微电子、防护涂层和高价值组件的修复等领域（Grigoriev等人，2015年；Marx等人，2006年）。
进一步了解冷喷涂过程对于优化颗粒与基材的相互作用至关重要，从而调节涂层最终的结构和机械性能。计算模拟在提供实验无法获得的信息方面发挥着关键作用。早期的研究集中在预测喷嘴内的颗粒速度和流场，理论和实验方法在描述气体-颗粒动力学方面表现出良好的一致性（Champagne、Helfritch、Dinavahi和Leyman，2011年）。后续研究利用计算流体动力学（CFD）扩展了这些分析，研究了工艺参数（如气体压力）的影响，发现它们对颗粒加速、分散和沉积效率有显著影响（Yin、Liu、Liao和Wang，2014年）。最近的发展还纳入了详细的热机械和微观结构建模，能够预测沉积过程中颗粒-基材界面的塑性变形、残余应力和晶粒细化（Abubakar，2023年；Msolli等人，2021年）。这些进展凸显了数值模拟不仅在复制实验结果方面的潜力，还能提供实验无法达到的空间和时间尺度上的机制洞察。
分子动力学（MD）模拟为理解冷喷涂中颗粒-基材相互作用的原子尺度机制提供了见解。早期研究表明，结合可以通过局部软化、剪切不稳定性以及高速撞击时的界面喷射现象产生（Joshi和James，2018年；Temitope Oyinbo和Jen，2020年）。后续研究揭示了尺寸效应，较小的纳米颗粒（NPs）在较低速度下即可附着，而较大的NPs则需要特定的临界速度才能实现结合（Nikravesh等人，2023年；Rahmati等人，2020年）。撞击界面处的温度升高和位错活动会导致塑性变形、喷射和微观结构细化（Feng等人，2024年；Zhao等人，2020年）。还发现了材料特异性效应，例如Ti的结合机制主要受正常应力和界面非晶化控制，这与Cu的情况不同（Dai、Zhou和Wei，2025年），而颗粒-基材的化学性质在粘附强度中起决定性作用（Belai、Kiselev和Kiselev，2023年）。最近的研究强调了多颗粒撞击中的压实效应（Gao、Zhang、Wang、Deng、Li和Su，2023年），以及氧化物层破裂在促进结合中的作用（Hemeda等人，2021年）。此外，MD模拟还详细介绍了结合机制，从低速下的非晶互锁到高速下的冶金结合和机械互锁（Reddy、Zhang、Msolli、Guo和Sridhar，2022年），以及对多次撞击后残余情况的洞察（Anon，2019年）。所有这些进展都强调了MD在揭示实验无法观察到的纳米尺度过程方面的独特能力，从而加深了对冷喷涂沉积过程的理解。
硅是电子和光伏领域中非常重要的材料。然而，其脆性以及某些合金对热处理的敏感性给传统沉积方法带来了挑战（Liu等人，2024年；Tului等人，2012年）。冷喷涂提供了一个有前景的替代方案，因为它可以在不熔化的情况下实现固态颗粒沉积，从而减少热损伤。在本研究中，利用MD模拟研究了非晶Si（a-Si）纳米颗粒对晶态Si基材的影响，以阐明纳米尺度上的结构和机械行为。考虑了0.5至4.0 km/s的撞击速度范围以及5 nm至13 nm的纳米颗粒直径，以捕捉尺寸和速度依赖性效应。本研究考察了包括坑形形态、纳米颗粒破碎、塑性变形以及其他与颗粒-基材相互作用相关的现象。通过系统分析这些结果，旨在全面理解非晶Si纳米颗粒在高速撞击过程中的粘附、变形和损伤机制。
方法论
Si原子之间的相互作用采用Tersoff原子间势模型进行建模，该模型考虑了Si的参数化特性（Tersoff，1988年）。该势模型能够捕捉共价键合、内聚能、a-Si相比晶态Si较低的密度及其结构因子等性质（Albaret等人，2016年；Amigo，2025b；Amigo，2025c；Dmitriev等人，2018年；Gu和Wang，2018年；Nord等人，2002年）。MD模拟使用了大尺度原子/分子质量模型（Large-scale Atomic/Molecular Massively）进行。
a-Si纳米颗粒的撞击
a-Si纳米颗粒对晶态基材的撞击行为取决于撞击速度和颗粒直径。图2展示了9 nm颗粒的情况，其中原子根据剪切应变进行了着色。图(a)显示了初始配置，(b)显示了粘附过程，(c)显示了反弹，(d)显示了部分破碎的粘附，(e)显示了完全解体。在低速下，颗粒粘附时基材仅发生轻微变形。
讨论
当前结果揭示了撞击过程中的几种现象：粘附、反弹和解体。这些现象的界限取决于颗粒大小和撞击速度。在之前针对Cu、Ni、Al和Ti等金属系统的MD研究中也描述了类似的转变，其中速度的增加促进了喷射、温度升高和严重的塑性，导致颗粒侵蚀或破碎（Dai等人，2025年；Feng等人，2024年；Joshi和James，2018年；Nikravesh等人，2023年；Rahmati等人，2020年）。
结论
本研究利用分子动力学模拟研究了非晶Si纳米颗粒以0.5至4.0 km/s的速度撞击晶态Si基材时的结构和机械响应，颗粒尺寸范围为5至13 nm。根据撞击速度和纳米颗粒大小，观察到了不同的粘附、反弹和解体现象。在较低速度下，纳米颗粒倾向于以有限的变形附着在基材上，表明...
CRediT作者贡献声明
Nicolás Amigo：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，软件，资源，方法论，调查，形式分析，概念化。Neyling Macalopú：调查，形式分析。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
致谢
本项目得到了2023年常规研究竞赛（Competition for Research Regular Projects），代码LPR23-05，智利首都技术大学的支持。NA感谢智利国家科学技术发展基金（FONDECYT，智利）的资助（项目编号：#1251338和#1251905）。本研究部分使用了NLHPC的超级计算基础设施（ECM-02）。
