退火处理工艺在纳米多层膜材料研究中的应用进展
发布时间：2021-06-07 07:54
与传统块状材料相比,纳米多层膜因其小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应,表现出独特的光、磁、电、力学和热学性能,可作为光电材料、光吸收材料、电磁波吸收材料、磁记录材料和低温连接材料,被广泛应用于光学器件、半导体、电磁防护、加工制造、表面防护以及电子封装等领域。纳米多层膜的微观结构与宏观物理力学性能具有强烈的尺度效应。由于受制备工艺所限,纳米多层膜内部存在的空位、位错等缺陷导致其在复杂服役环境中难以完全满足耐热、耐磨和耐腐蚀等要求,限制了纳米多层膜的发展。而在集成电路和芯片制造领域,纳米多层膜器件常处于偏离常温的苛刻工作环境中,具有较高表面自由能的亚稳态纳米多层膜在受热情况下会通过两相互扩散、层内脱离和界面结构变化等方式,趋向达到低能量的稳定结构,从而破坏了多层膜内部的微观结构,导致其熔点降低、超硬等特性消失或减弱。因此,研究纳米多层膜的微观结构演化、热稳定性及其失效机理,直接关系到纳米多层膜体系的服役寿命和可靠性。退火工艺作为一种常见的热处理手段,被广泛应用于消除金属内部的缺陷,从而达到改善材料性能的目的。对于在高温条件下工作的纳米多层膜,退火工艺也是延长其使用寿命的有...
【文章来源】：材料导报. 2020,34(03)北大核心EICSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
退火温度对Ni50.5Ti49.5与Ni45.6Ti49.3Al5.1纳米薄膜硬度的影响[35]
不互溶型纳米多层膜在高温下可能具有较好的稳定性,但也只是在一定条件下存在[46-48],这主要是因为高温下这类多层膜由于受到界面张力的作用,会通过原子沿界面的扩散在相界与晶界的交接处形成热致沟槽,在一定条件下沟槽会一直沿晶界扩展直至造成层内脱离[49-50]。然而,Misra等[51-52]发现,在Cu/Nb纳米多层膜中(Cu与Nb固态不互溶),热致沟槽效应却导致了一个稳定的三叉点呈“Z”字型分布的微结构的形成,有效地阻止了层内脱离的发生,如图3所示。这一系列发现指出了高温下实现纳米多层膜材料微结构稳定化的新途径,也为高温稳定的不互溶纳米多层膜的设计指出了一个新的方向。还有一类特殊的不互溶型薄膜,在常温下它们的组元之间不发生互溶,但是随着加热温度升高,层状结构会逐渐消失。但这种层状结构通常不是以产生热沟槽的方式消失,而是在薄膜内部以内应力和热应力的方式释放,以及在晶界能、界面能和表面能降低的共同作用下,活化能较低的组元沿着晶界或缺陷向另一组元中扩散的方式释放。瑞士的EMPA研究所在这方面做了大量研究。Moszner等对不互溶型Cu/W纳米多层膜进行了热稳定性研究,发现在700 ℃退火后Cu沿着薄膜内的晶界和缺陷向W中扩散,使得纳米层状结构消失[53]。Cancellieri等对Cu/W纳米多层膜进行研究也得到了类似结果,并且发现纳米多层膜结构的演变不受薄膜与基体热膨胀系数差异的影响[54]。这类在一定温度退火后内部原子扩散到薄膜表面的不互溶型纳米多层膜在低温连接中具有很好的应用前景,其中以AlSi/AlN、Ag/AlN、Cu/W、Cu/AlN和Ag-Cu/AlN等体系为代表的纳米多层膜在热敏感型金属焊接中的应用成为了行业研究热点。Chiodi等将Ag/AlN纳米多层膜分别在空气中和真空中退火,发现富氧气氛可以促进Ag从纳米多层膜内部析出(如图4所示),从而促进金属与陶瓷母材之间的连接[55]。Benjamin等使用Cu/AlN纳米多层膜作为钎料钎焊钛合金,发现在450～750 ℃退火时,AlN阻隔层表面存在的大量裂纹为Cu的扩散提供了通道,Cu扩散到薄膜表面,在750 ℃时实现与钛合金基体的连接[56]。Janczak等在750 ℃下使用Ag-Cu/C纳米多层膜钎焊不锈钢,并未形成钎焊接头,但是观察到直径为微米级的Ag液滴从薄膜中扩散到钢的表面,他们认为压力和纳米多层膜层数是能否形成钎焊接头的关键因素[57]。另外,对于不互溶型纳米多层膜,层状结构的消失温度也被作为焊接温度选择的参考依据。乔巧利用高速摄影研究了纳米多层膜钎料的熔化行为,发现在850 ℃保温15 s后,Ag-Cu/W纳米多层膜开始熔化,且润湿面积增大[58]。Tillmann等使用Cu/W纳米多层膜作为钎料钎焊钛合金,在800 ℃下真空退火后观察到纳米多层膜层状结构发生了变化,因此选用800 ℃作为钎焊温度[59]。
还有一类特殊的不互溶型薄膜,在常温下它们的组元之间不发生互溶,但是随着加热温度升高,层状结构会逐渐消失。但这种层状结构通常不是以产生热沟槽的方式消失,而是在薄膜内部以内应力和热应力的方式释放,以及在晶界能、界面能和表面能降低的共同作用下,活化能较低的组元沿着晶界或缺陷向另一组元中扩散的方式释放。瑞士的EMPA研究所在这方面做了大量研究。Moszner等对不互溶型Cu/W纳米多层膜进行了热稳定性研究,发现在700 ℃退火后Cu沿着薄膜内的晶界和缺陷向W中扩散,使得纳米层状结构消失[53]。Cancellieri等对Cu/W纳米多层膜进行研究也得到了类似结果,并且发现纳米多层膜结构的演变不受薄膜与基体热膨胀系数差异的影响[54]。这类在一定温度退火后内部原子扩散到薄膜表面的不互溶型纳米多层膜在低温连接中具有很好的应用前景,其中以AlSi/AlN、Ag/AlN、Cu/W、Cu/AlN和Ag-Cu/AlN等体系为代表的纳米多层膜在热敏感型金属焊接中的应用成为了行业研究热点。Chiodi等将Ag/AlN纳米多层膜分别在空气中和真空中退火,发现富氧气氛可以促进Ag从纳米多层膜内部析出(如图4所示),从而促进金属与陶瓷母材之间的连接[55]。Benjamin等使用Cu/AlN纳米多层膜作为钎料钎焊钛合金,发现在450～750 ℃退火时,AlN阻隔层表面存在的大量裂纹为Cu的扩散提供了通道,Cu扩散到薄膜表面,在750 ℃时实现与钛合金基体的连接[56]。Janczak等在750 ℃下使用Ag-Cu/C纳米多层膜钎焊不锈钢,并未形成钎焊接头,但是观察到直径为微米级的Ag液滴从薄膜中扩散到钢的表面,他们认为压力和纳米多层膜层数是能否形成钎焊接头的关键因素[57]。另外,对于不互溶型纳米多层膜,层状结构的消失温度也被作为焊接温度选择的参考依据。乔巧利用高速摄影研究了纳米多层膜钎料的熔化行为,发现在850 ℃保温15 s后,Ag-Cu/W纳米多层膜开始熔化,且润湿面积增大[58]。Tillmann等使用Cu/W纳米多层膜作为钎料钎焊钛合金,在800 ℃下真空退火后观察到纳米多层膜层状结构发生了变化,因此选用800 ℃作为钎焊温度[59]。在不同温度下退火后纳米多层膜结构发生变化的主要原因是组元之间的相互反应、扩散,以及层状结构的坍塌等。因而退火工艺对纳米多层膜的工作温度的确定起着重要的作用,另外纳米多层膜所具有的熔点降低效应使其在低温连接中有着巨大潜力,退火工艺无疑是选择钎焊温度和研究钎焊过程纳米多层膜微观结构演变的重要手段。目前受观测手段所限,尚未观测到在退火过程中纳米多层膜的动态变化,一般通过观察退火后纳米多层膜的微结构热稳定性的变化来推断其演变机制。在未来,基于原位透射电镜的实时观察和分子动力学等数值模拟方法应成为退火过程中纳米多层膜微观结构演变机制的研究重要的手段。
【参考文献】：
期刊论文
[1]Acta Metallurgica Sinica（English Letters）[J]. Acta Metallurgica Sinica（English Letters）. 2015(02)
[2]磁控溅射制备NiO/Ni多层膜的结构和光电性能[J]. 赵志明,马二云,张晓静,张国君,游才印,白力静,蒋百灵. 稀有金属材料与工程. 2014(07)
[3]退火温度对Bi3.15(Eu0.7Nd0.15)Ti3O12铁电薄膜力学性能的影响[J]. 蒋大洞,郑学军,龚跃球,朱哲,彭金峰. 无机材料学报. 2013(02)
[4]O2分压和退火对TiO2/SiO2纳米多层膜结构和光学性能的影响[J]. 张瑞奇,董磊,李德军,刘孟寅. 光电子.激光. 2012(12)
[5]纳米磁性薄膜的研究进展[J]. 杜朝锋,黄英,秦秀兰. 兵器材料科学与工程. 2007(02)
[6][（Fe/Pt/Fe）/Ag]n多层膜低温合成分离的L10相FePt纳米颗粒[J]. 竺云,蔡建旺. 物理学报. 2005(01)
[7][FePt/Ag]10多层膜的结构和磁学性能[J]. 许小红,王芳,武海顺. 科学通报. 2004(19)
博士论文
[1]纳米多层膜高温下微结构的演化[D]. 万海波.上海交通大学 2012
硕士论文
[1]退火处理对FeCoB-SiO2磁性纳米膜电磁性能的影响[D]. 吴志华.华中科技大学 2007
本文编号：3216193
【文章来源】：材料导报. 2020,34(03)北大核心EICSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
退火温度对Ni50.5Ti49.5与Ni45.6Ti49.3Al5.1纳米薄膜硬度的影响[35]
不互溶型纳米多层膜在高温下可能具有较好的稳定性,但也只是在一定条件下存在[46-48],这主要是因为高温下这类多层膜由于受到界面张力的作用,会通过原子沿界面的扩散在相界与晶界的交接处形成热致沟槽,在一定条件下沟槽会一直沿晶界扩展直至造成层内脱离[49-50]。然而,Misra等[51-52]发现,在Cu/Nb纳米多层膜中(Cu与Nb固态不互溶),热致沟槽效应却导致了一个稳定的三叉点呈“Z”字型分布的微结构的形成,有效地阻止了层内脱离的发生,如图3所示。这一系列发现指出了高温下实现纳米多层膜材料微结构稳定化的新途径,也为高温稳定的不互溶纳米多层膜的设计指出了一个新的方向。还有一类特殊的不互溶型薄膜,在常温下它们的组元之间不发生互溶,但是随着加热温度升高,层状结构会逐渐消失。但这种层状结构通常不是以产生热沟槽的方式消失,而是在薄膜内部以内应力和热应力的方式释放,以及在晶界能、界面能和表面能降低的共同作用下,活化能较低的组元沿着晶界或缺陷向另一组元中扩散的方式释放。瑞士的EMPA研究所在这方面做了大量研究。Moszner等对不互溶型Cu/W纳米多层膜进行了热稳定性研究,发现在700 ℃退火后Cu沿着薄膜内的晶界和缺陷向W中扩散,使得纳米层状结构消失[53]。Cancellieri等对Cu/W纳米多层膜进行研究也得到了类似结果,并且发现纳米多层膜结构的演变不受薄膜与基体热膨胀系数差异的影响[54]。这类在一定温度退火后内部原子扩散到薄膜表面的不互溶型纳米多层膜在低温连接中具有很好的应用前景,其中以AlSi/AlN、Ag/AlN、Cu/W、Cu/AlN和Ag-Cu/AlN等体系为代表的纳米多层膜在热敏感型金属焊接中的应用成为了行业研究热点。Chiodi等将Ag/AlN纳米多层膜分别在空气中和真空中退火,发现富氧气氛可以促进Ag从纳米多层膜内部析出(如图4所示),从而促进金属与陶瓷母材之间的连接[55]。Benjamin等使用Cu/AlN纳米多层膜作为钎料钎焊钛合金,发现在450～750 ℃退火时,AlN阻隔层表面存在的大量裂纹为Cu的扩散提供了通道,Cu扩散到薄膜表面,在750 ℃时实现与钛合金基体的连接[56]。Janczak等在750 ℃下使用Ag-Cu/C纳米多层膜钎焊不锈钢,并未形成钎焊接头,但是观察到直径为微米级的Ag液滴从薄膜中扩散到钢的表面,他们认为压力和纳米多层膜层数是能否形成钎焊接头的关键因素[57]。另外,对于不互溶型纳米多层膜,层状结构的消失温度也被作为焊接温度选择的参考依据。乔巧利用高速摄影研究了纳米多层膜钎料的熔化行为,发现在850 ℃保温15 s后,Ag-Cu/W纳米多层膜开始熔化,且润湿面积增大[58]。Tillmann等使用Cu/W纳米多层膜作为钎料钎焊钛合金,在800 ℃下真空退火后观察到纳米多层膜层状结构发生了变化,因此选用800 ℃作为钎焊温度[59]。
还有一类特殊的不互溶型薄膜,在常温下它们的组元之间不发生互溶,但是随着加热温度升高,层状结构会逐渐消失。但这种层状结构通常不是以产生热沟槽的方式消失,而是在薄膜内部以内应力和热应力的方式释放,以及在晶界能、界面能和表面能降低的共同作用下,活化能较低的组元沿着晶界或缺陷向另一组元中扩散的方式释放。瑞士的EMPA研究所在这方面做了大量研究。Moszner等对不互溶型Cu/W纳米多层膜进行了热稳定性研究,发现在700 ℃退火后Cu沿着薄膜内的晶界和缺陷向W中扩散,使得纳米层状结构消失[53]。Cancellieri等对Cu/W纳米多层膜进行研究也得到了类似结果,并且发现纳米多层膜结构的演变不受薄膜与基体热膨胀系数差异的影响[54]。这类在一定温度退火后内部原子扩散到薄膜表面的不互溶型纳米多层膜在低温连接中具有很好的应用前景,其中以AlSi/AlN、Ag/AlN、Cu/W、Cu/AlN和Ag-Cu/AlN等体系为代表的纳米多层膜在热敏感型金属焊接中的应用成为了行业研究热点。Chiodi等将Ag/AlN纳米多层膜分别在空气中和真空中退火,发现富氧气氛可以促进Ag从纳米多层膜内部析出(如图4所示),从而促进金属与陶瓷母材之间的连接[55]。Benjamin等使用Cu/AlN纳米多层膜作为钎料钎焊钛合金,发现在450～750 ℃退火时,AlN阻隔层表面存在的大量裂纹为Cu的扩散提供了通道,Cu扩散到薄膜表面,在750 ℃时实现与钛合金基体的连接[56]。Janczak等在750 ℃下使用Ag-Cu/C纳米多层膜钎焊不锈钢,并未形成钎焊接头,但是观察到直径为微米级的Ag液滴从薄膜中扩散到钢的表面,他们认为压力和纳米多层膜层数是能否形成钎焊接头的关键因素[57]。另外,对于不互溶型纳米多层膜,层状结构的消失温度也被作为焊接温度选择的参考依据。乔巧利用高速摄影研究了纳米多层膜钎料的熔化行为,发现在850 ℃保温15 s后,Ag-Cu/W纳米多层膜开始熔化,且润湿面积增大[58]。Tillmann等使用Cu/W纳米多层膜作为钎料钎焊钛合金,在800 ℃下真空退火后观察到纳米多层膜层状结构发生了变化,因此选用800 ℃作为钎焊温度[59]。在不同温度下退火后纳米多层膜结构发生变化的主要原因是组元之间的相互反应、扩散,以及层状结构的坍塌等。因而退火工艺对纳米多层膜的工作温度的确定起着重要的作用,另外纳米多层膜所具有的熔点降低效应使其在低温连接中有着巨大潜力,退火工艺无疑是选择钎焊温度和研究钎焊过程纳米多层膜微观结构演变的重要手段。目前受观测手段所限,尚未观测到在退火过程中纳米多层膜的动态变化,一般通过观察退火后纳米多层膜的微结构热稳定性的变化来推断其演变机制。在未来,基于原位透射电镜的实时观察和分子动力学等数值模拟方法应成为退火过程中纳米多层膜微观结构演变机制的研究重要的手段。
【参考文献】：
期刊论文
[1]Acta Metallurgica Sinica（English Letters）[J]. Acta Metallurgica Sinica（English Letters）. 2015(02)
[2]磁控溅射制备NiO/Ni多层膜的结构和光电性能[J]. 赵志明,马二云,张晓静,张国君,游才印,白力静,蒋百灵. 稀有金属材料与工程. 2014(07)
[3]退火温度对Bi3.15(Eu0.7Nd0.15)Ti3O12铁电薄膜力学性能的影响[J]. 蒋大洞,郑学军,龚跃球,朱哲,彭金峰. 无机材料学报. 2013(02)
[4]O2分压和退火对TiO2/SiO2纳米多层膜结构和光学性能的影响[J]. 张瑞奇,董磊,李德军,刘孟寅. 光电子.激光. 2012(12)
[5]纳米磁性薄膜的研究进展[J]. 杜朝锋,黄英,秦秀兰. 兵器材料科学与工程. 2007(02)
[6][（Fe/Pt/Fe）/Ag]n多层膜低温合成分离的L10相FePt纳米颗粒[J]. 竺云,蔡建旺. 物理学报. 2005(01)
[7][FePt/Ag]10多层膜的结构和磁学性能[J]. 许小红,王芳,武海顺. 科学通报. 2004(19)
博士论文
[1]纳米多层膜高温下微结构的演化[D]. 万海波.上海交通大学 2012
硕士论文
[1]退火处理对FeCoB-SiO2磁性纳米膜电磁性能的影响[D]. 吴志华.华中科技大学 2007
本文编号：3216193
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