Thermal stability of copper nanowires

Copper has been used for thousands of years in various fields as a pure metal or in many copper alloys. Copper also plays a crucial role in modern society with its high electric and thermal conductivity. To be able to also use this versatile material in the nanoindustry, its properties must be investigated. It has been found that nanomaterials have different properties compared with the macroscopic materials. One of the most important properties is the thermal stability of nanowires. The thermal stability of copper nanowires has to be known to be able to use copper wires in nanosized electronics without problems. Due to complications with experiments on the nanowires, this study uses atomistic computer simulations to investigate the thermal stability of copper nanowires. In the first study, the dependence between the wire diameter and the melting point was investigated. Also different shapes of the wires were studied. Three different wire shapes and diameters between 1.5 nm and 20 nm were investigated with a simulation method called molecular dynamics. This simulation technique uses classical Newtonian mechanics to simulate how the material behaves. The results were compared with a semi-empirical model called the liquid-drop-model, and the results are in a good agreement with this model. In the investigation of wires with the diameter 1 nm, a reconstruction was found. This reconstruction could spontaneously appear due to thermal vibrations in the wire. This phenomenon was investigated both by observing the spontaneous growth and by stretching the wire. A spontaneous reconstruction could be seen over a wide temperature range and a reconstruction due to stretching could be seen at almost all temperatures, even over the predicted melting point. The stability of the reconstruction was also investigated with a quantum mechanical simulation technique called density functional theory. These results predict that the reconstruction is stable or metastable.Koppar har i tusentals år använts inom många olika områden både som ren metall och som en del av legeringar. Koppar spelar även en central roll i det moderna samhället med dess höga el- och värmeledningsförmåga. För att kunna utnyttja det här mångsidiga materialet även inom nanoindustrin måste dess egenskaper undersökas. Vid undersökningar av nanomaterial har man upptäckt att dessa material har andra egenskaper än makroskopiska material. En av de viktigaste egenskaperna är nanotrådarnas termiska stabilitet. Den termiska stabiliteten hos kopparnanotrådar måste kännas till för att kunna tillverka elektronik som bygger på kopparnanotrådar utan att det uppstår problem. P.g.a. svårigheter med att utföra experiment på nanotrådarna undersöktes den termiska stabiliteten hos kopparnanotrådar i den här studien med atomistiska datorsimuleringar. I den första undersökningen bestämdes korrelationen mellan diametern på nanotråden och nanotrådens smältpunkt. Även olika former på tråden undersöktes. Tre olika former på trådar med diametern mellan 1.5 nm och 20 nm undersöktes med en simuleringsmetod som kallas molekyldynamik. Den här simuleringsmetoden grundar sig på att man använder den klassiska newtonska mekaniken för att se hur materialet beter sig. Resultaten för smältpunkten jämfördes med den semi-empiriska vätskedroppsmodellen och resultaten överensstämmer mycket bra. Vid analys av nanotrådar med diametern 1 nm hittades en rekonstruktion. Rekonstruktionen kunde uppstå spontant p.g.a. värmevibrationer i tråden. Det här fenomenet undersöktes både genom att studera den spontana uppkomsten av rekonstruktioner och genom utdragning av nanotrådar. Den spontana uppkomsten av rekonstruktioner kunde ses i ett brett temperaturintervall och rekonstruktioner som uppstod p.g.a. utdragning kunde ses vid nästan alla temperaturer, t.o.m. över den förutspådda smältpunkten. Stabiliteten hos rekonstruktionerna undersöktes även med en kvant-mekanisk simuleringsmetod kallad täthetsfunktionalteori. De här resultaten förutsäger att rekonstruktionen är endera stabil eller metastabil