Cu-Ti复合层固态反润湿制备纳米颗粒工艺及机理探究

发布时间：2020-05-27 09:00

【摘要】：在金属/陶瓷的连接中,金属在基体表面的润湿与否是一种很重要的性能。而作为润湿现象的反过程,反润湿现象(Dewetting)近年来也受到了广泛关注。沉积在非润湿惰性基体上的极薄金属膜通常处于亚稳态,在特定条件下激活质量传输时会发生破裂并凝聚。这种由固态金属薄膜破裂而转变为凝聚的岛状、颗粒状,与润湿表现相反的过程称为反润湿。本方法也常用于在基体表面制造金属纳米颗粒,这种反润湿自组装技术制造的纳米颗粒在催化、光电传感器等方面有着广泛的应用。本文围绕Cu-Ti复合金属层在Si(100)基体表面的反润湿展开了研究,结合分子动力学软件LAMMPS进行模拟,探究其工艺及机理,并以可控的方式获取排列整齐、尺寸均一的纳米颗粒阵列,为其功能化应用提供基础。本文中,首先对Cu-Ti复合层的反润湿进行了实验,并对纳米颗粒进行表征与局域表面等离子共振(LSPR)性质测试。通过磁控溅射在Si基体表面依次沉积Ti、Cu金属层,并采用管式炉在含5%氢气的氩气气氛中进行保温,获得了纳米颗粒。随温度与保温时间增加,纳米颗粒圆度增加,尺寸均匀度增加。随厚度增加,金属薄膜反润湿发生的最低临界温度增加,厚度超过一定值时不再发生反润湿。通过TEM对纳米颗粒进行了表征,可知纳米颗粒的物相组成存在Cu4Ti、Cu3Ti、Cu Ti与纯Ti等,纳米颗粒尺寸越大,Cu含量越高。在此之后,采用分光光度计进行了不同纳米颗粒的LSPR效应的测试,圆度提高会使共振峰半峰全宽更窄,纳米颗粒的表面覆盖率增加则会使吸收率提高,纳米颗粒尺寸增加会使共振峰发生红移。其次,对反润湿现象进行了模拟。分别进行了多层金属与单层金属的反润湿模拟,在多层金属的反润湿模拟中,其结果与实验基本相符,说明实验结果与模拟结果有较大的正确性与可信性。在单层金属的反润湿模拟中,判断其反润湿机制为旋节线反润湿,并结合机理对反润湿过程中多个标志性变化进行了解释。最后,为了降低对工艺参数的精确要求,在反润湿实验之前进行处理,使其表面图案化,提高表面的有序性。基体表面的图案化采用了HF+HNO3对部分表面进行腐蚀,最终出现大量不规则的纳米颗粒,且尺寸均一性较低。薄膜表面的图案化分别采用了微划痕与纳米压痕两种方式,二者在纳米颗粒的尺寸与排列方面均有提升,分别获得了一维排布与二维排布的纳米颗粒阵列。
【图文】：

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图 1-1 固态反润湿过程[3]在集成电路与其他微电子系统等需要金属薄膜或线的连续性和完整性时润湿会导致薄膜破裂，，金属线断开，影响其结构甚至损坏，尤其在高温运如此，因此在这类系统中要尽量避免它的出现[3,4]。然而，反润湿也可用表面制造金属纳米颗粒阵列[4-6]，用于化学和生物传感器[1]，电子、光子和学器件等[7,8]。双层金属膜的反润湿也用于生产核-壳金属纳米颗粒[9]。反阶段形成的复杂网状结构可用作燃料电池的电极。近年来较为普遍的应

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图 1-2 预图案化处理基体上的反润湿过程[3]反润湿中一个重要的参数是纳米金属颗粒自身的性质。目前已经对如下体系进行过研究：1.Au、Ag、Pt 等贵金属。大部分贵金属具有局域表面等离子共振（LSPR）特性，可应用于光电系传感器、光学元件、燃料电池等[8,16-19]。2. Fe、Co、Ni 等铁磁性金属。铁磁性金属可以应用于传感、铁磁等离子体行为、纳米磁性图案等，还可用于碳纳米管的催化剂[4,20-22]。3.Cu、Ti、Ta 等过渡金属。可用于太阳能电池、RFID 标签、透明导电涂层材料等，同样也可用于催化剂[23]。而承载纳米颗粒采用 Al2O3、MgO 或 SiO2等，这是由于它们不易与金属发生反应且金属在其表面不能润湿铺展[24-27]。近年来，学者们对反润湿现象进行了广泛的研究，但大部分针对单金属元素体系进行研究，多组元金属复合体系中仅对贵金属（Au，Ag 等）有一定研究，对其余过渡金属复合体系的研究少之又少。而过渡金属复合体系纳米颗粒在传感、纳米图案、催化等多个方面有着潜在的应用，对其进行研究有着重要意义。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB383.1

【参考文献】