基于稳定固溶体团簇模型的无扩散阻挡Cu合金薄膜的成分设计

随着超大规模集成电路的发展,器件特征尺寸不断缩小,必然会出现Cu互连扩散阻挡层厚度无法进一步减小等瓶颈问题。因此,开发新型无扩散阻挡层Cu合金薄膜(Cu种籽层)势在必行。该新型互连结构在长时间的中高温(400~500℃)后续工艺实施过程中,需同时具备高的稳定性(不发生互扩散反应)和低的电阻率。基于此,首先综述了目前无扩散阻挡层结构的研究现状及问题,然后对基于稳定固溶体团簇模型设计制备的无扩散阻挡Cu-Ni-M薄膜的研究工作进行了梳理,通过多系列薄膜微观结构、电阻率及稳定性的对比,深入探讨了第三组元M的选择原则及其对薄膜热稳定性的影响。为进一步验证稳定固溶体团簇模型的有效性,对第二组元的变化进行了相关讨论。结果证实,选取原子半径略大于Cu、难扩散且难溶的元素作为第三组元M,薄膜表现出良好的扩散阻挡能力;当M/Ni=1/12,即合金元素完全以团簇形式固溶于Cu基体时,薄膜综合性能达到最优,能够满足微电子行业的要求。所有研究表明,稳定固溶体团簇模型在无扩散阻挡层Cu合金薄膜的成分设计方面十分有效,该模型也有望在耐高温Cu合金及抗辐照材料成分设计方面推广使用。     

含二十面体准晶相的铸态Mg-Zn-Y合金阻尼性能的研究

采用传统铸造方法制备Mg-Zn-Y合金,基于典型的含二十面体准晶相的Mg93Zn6Y1合金,研究了铸态Mg-Zn-Y合金的枝晶形貌与其阻尼性能的关系。通过控制浇注温度,搅拌速度和搅拌时间,获得不同参数下的合金的枝晶形貌。结果表明,铸态Mg93Zn6Y1的显微组织主要由α-Mg树枝状晶体和二十面体准晶相组成。搅拌后,初始α-Mg树枝状晶体逐渐具有分形特征,且其尺寸变化,从而影响合金的阻尼能力。本文详细讨论了这一机制。     

半导体Fe-Si非晶薄膜的成分解析及设计

β-FeSi2作为直接带隙半导体,具有较大的光吸收系数和较高的理论光(热)电转换效率,是一种理想的光(热)电材料。首先综述了目前β-FeSi2材料的研究及应用现状,为了回避单相β-FeSi2制备困难及失配等瓶颈问题,提出了制备具有相似性能的Fe-Si非晶薄膜是有效的解决方法。局域(近程序)结构是决定非晶性能的主要因素,针对非晶薄膜成分、局域结构及性能的对应性研究至关重要。基于此,概述了在"团簇+连接原子"模型指导下,依据实验性能分区和团簇理论解析建立的Fe-Si非晶薄膜成分、局域结构及性能关联;概述了现有晶态和非晶态材料研究中添加元素的原子占位情况,并以此为基础讨论了多组元化对薄膜非晶形成能力及半导体性能的影响。结果证实"团簇+连接原子"模型对Fe-Si非晶薄膜局域结构解析及多组元化成分设计是十分有效的。通过精确成分设计可在较大成分范围内实现薄膜半导体性能可调,为廉价近红外探测和全太阳光谱覆盖提供良好候选材料。最后,展望了Fe-Si非晶薄膜的研究及应用前景。     

Cu_x[Ni_3Fe_1](x=4～12)合金的组织演变

研究了Cu-Ni-Fe系列合金中组织结构演变及其对性能的影响。本文固定Ni∶Fe原子比为3∶1,连续改变Cu含量,设计制备了Cu_x[Ni_3Fe_1](x=4,7,9,12)系列合金,并利用光学显微镜、扫描电子显微镜、X射线衍射仪、维氏硬度计、万能试验机、变温电阻仪对合金的表面形貌、物相结构、硬度、拉伸性能及电阻率进行了分析。结果表明:Cu_x[Ni_3Fe_1]合金中主要的强化方式是调幅分解;随着Cu含量的增加,调幅分解形成的富Ni-Fe逐渐减少,合金的抗拉强度、屈服强度以及硬度都呈减小的趋势;编织板条状的组织因排列密度高,表现出良好的耐蚀性;x为4、7和9的合金时效后有少量的γ'-Ni_3Fe析出相,对合金的硬度和拉伸性能影响不大,但γ'-Ni3Fe相在500℃左右会发生分解,导致电阻率略有下降;而x为12的合金时效后晶界上有大量α-Fe相析出。     

固溶处理对含长周期结构Mg97Zn1Y2合金显微组织及阻尼性能影响

通过光学显微镜、扫描电镜分析了铸态及固溶处理态Mg97Zn1Y2合金的显微组织,并利用EDS,XRD进行了物相分析。研究发现固溶处理后,Mg97Zn1Y2合金中的长周期结构相发生长大,由离散分布变为连续分布。阻尼测试结果显示,固溶处理后Mg97Zn1Y2合金阻尼性能下降。通过对铸态及固溶处理态Mg97Zn1Y2合金进行阻尼-温度谱分析,发现存在两个内耗峰：P1内耗峰位置在150-250℃附近,峰宽很宽,是由位错机制而引起的内耗峰;P2内耗峰位置在350-500℃附近,初步认为是晶界内耗峰。     

基于稳定固溶体团簇模型的含氮铜合金薄膜

目的制备结构和性能稳定的含氮铜合金薄膜,提高铜合金的硬度。方法基于稳定固溶体团簇模型在Cu-Ni基合金成分设计方面的研究,进一步利用Nb与N相对较大的负混合焓以及Ni的作用,将N带入Cu中,达到稳定N的目的。采用磁控溅射方法在N2/Ar比为1/30的气氛中制备了Si(100)基Cu-Ni-Nb-N四元合金薄膜和参比样品,并通过电子探针、X射线衍射仪和透射电子显微镜分别分析了薄膜的成分、结构和膜-基界面,采用双电测四探针测量仪和超轻微载荷努氏硬度计测量了薄膜的电阻率和硬度。结果与Cu(N)薄膜相比,四元合金薄膜具有更好的结构稳定性和更高的硬度。溅射态时,四元薄膜由铜的纳米柱状晶和少量NbN组成,硬度均在5 GPa左右。550℃/1 h退火后,薄膜致密度好,部分N能以NbN化合物的形式稳定存在于薄膜中,大部分薄膜的硬度在3 GPa以上,并且具有较好的导电性。结论采用稳定固溶体团簇模型选择固氮元素,能够制备出综合性能较好的含氮铜合金薄膜,为其进一步用于铜及其合金的表面改性奠定了基础。     

平衡镁合金阻尼及力学性能研究进展及展望

镁合金做为一种高阻尼材料其应用开发一直受到广大学者的关注,但镁合金阻尼及力学性能很难兼顾,从而限制了它在工程上的应用。本文综述了近年来国内外研究人员在平衡镁合金阻尼及力学性能方面所做的贡献,主要从合金化、细化晶粒、晶粒取向以及热处理和变形等几个方面概述高阻尼镁合金材料的研究现状,指出了现阶段所存在的问题,并展望了平衡镁合金阻尼及力学性能的研究前景。     

相变温度附近热处理对Mg97Zn1Y2合金组织演化的影响

研究了相变温度附近不同热处理方法对含长周期结构Mg97Zn1Y2合金的组织影响,并对演变机理进行了探讨。主要研究结论如下:进行500℃固溶处理时,随着时间的增加,晶界处的LPSO相部分固溶进基体中,同时部分LPSO相杆状化;采用等温热处理时Mg97Zn1Y2合金中的枝晶组织转变为球状晶,当合金保温温度从540℃升到600℃时,合金组织尺寸由大→小→大的顺序变化,即经过了粗化、分离及球化至最后粗化3个过程。在等温热处理温度为575℃的组织大致演变趋势为:枝晶态→不规则球形+块状→球形状,当保温时间15min,其组织即可变为均匀、圆整的球状晶。     

通过热处理提升镁合金综合力学性能:第二相的变化与作用

在镁合金研究中,第二相极大地影响了合金的综合力学性能。热处理技术可以很好地改善第二相的类型,形貌及分布状态;从而提高合金的综合力学性能。基于此,系统地对镁合金的热处理类型进行了介绍;综述了常用镁合金在不同热处理工艺下第二相的变化及对综合力学性能的影响。同时就镁合金热处理技术、热处理常见问题以及国内外先进热处理技术进行了讨论,最后展望了先进镁合金热处理发展趋势。     

L12-γ′相共格析出强化 Cuy （Ni3/4Al1/4 ）100-y合金显微组织与性能研究

纳米球状L12-γ′相（Pm-3m，a=0.3572 nm）的共格析出强化Cu-Ni-Al合金兼具优异的力学性能及一定的导电性能，被广泛应用于轨道交通、海洋运输等领域。目前缺乏纳米球状L12-γ′相共格析出的Cu-Ni-Al显微组织演变及性能关联的系统研究。本文锁定Ni∶Al原子比3∶1，制备了系列Cu（y Ni3/4Al1/4）100-y（y=75.00，80.00，85.71，90.00，93.75；原子分数）合金，并详细探讨了合金性能（硬度、电导率及软化温度）、合金成分及显微组织之间的关联。结果表明，低温时效后样品出现大量的退火孪晶并析出纳米球状L12-γ′相。低温时效后Cu-Ni-Al合金的强化机制包括细晶强化和析出强化，随着Cu含量增加（Ni+Al含量减少），退火孪晶含量减少且L12-γ′相的析出含量逐渐增加，合金硬度、屈服强度及极限抗拉强度也随之降低。而合金导电性能与固溶在Cu基体中的溶质含量相关。最后，通过软化温度测试衡量了合金在高温下的应用潜力。本研究为高性能Cu-Ni-Al合金成分设计提供了有效的实验及理论依据。