博士研究生開題答辯-幾種難混溶體系薄膜材料

昆明理工大學(xué)博士研究生學(xué)位論文

開題報告

擬定論文題目

幾種難混溶體系薄膜材料的微觀結(jié)構(gòu)及性能研究

答辯人：郭中正導(dǎo)師：孫勇教授昆明理工大學(xué)博士學(xué)位論文開題答辯昆明理工大學(xué)博士學(xué)位論文開題答辯選題的研究動態(tài)及現(xiàn)狀

主要內(nèi)容

選題的科學(xué)性和創(chuàng)新性

前期研究及有益結(jié)果

研究內(nèi)容和方案昆明理工大學(xué)博士學(xué)位論文開題答辯薄膜技術(shù)優(yōu)勢及應(yīng)用薄膜技術(shù)可實現(xiàn)材料自由設(shè)計、重構(gòu)和人工剪裁,化學(xué)計量比在寬范圍可控,是探索物質(zhì)秘密、分析物質(zhì)特異成份、組織及結(jié)構(gòu)和使器件微型化的重要手段,對熱動力學(xué)、均質(zhì)化及穩(wěn)定性研究將極具意義,便于實現(xiàn)功能復(fù)合型、輕量節(jié)能化,滿足現(xiàn)代新材料要求；將傳統(tǒng)金屬、半導(dǎo)體、陶瓷及高分子材料用膜技術(shù)進行制備或組合,制成特定性能材料是重要研發(fā)手段；由尺度在幾納米至幾十納米的顆粒（晶粒）構(gòu)成的或含有納米顆粒的納米薄膜,以及層厚在納米尺度量級(1-100nm)的單層或多層納米層狀薄膜,有與粒子尺度、形態(tài)、分布、界面構(gòu)型和層厚等微觀結(jié)構(gòu)密切關(guān)聯(lián)的特異性能在金屬或含金屬薄膜方面,亦展示出廣闊研究空間和應(yīng)用前景,膜技術(shù)對開發(fā)具有優(yōu)越光、電、磁、機械性能的功能和結(jié)構(gòu)材料有積極意義。昆明理工大學(xué)博士學(xué)位論文開題答辯金屬或含金屬薄膜的一些特殊性質(zhì)Cu、Al、Ti、Fe膜電磁響應(yīng)效應(yīng)Rh/Pt多層膜Au、Ag、Pb、In、Ag-Re、Pb-Sn、Cu/SnMo/Si、W/C、Co/C、W/SiCCo/Pt等多層膜Fe/Cr、Cu/Co、Fe-Ag膜Cu/Ni、Cu/Pd、Ni/Mo超模量、超硬度性質(zhì)巨磁阻效應(yīng)

磁光效應(yīng)軟X-Ray反射性電催化性減磨潤滑性Au、Ag、Cu、Pd膜光學(xué)過濾和透明導(dǎo)電性Cu、Al、Ti、Fe膜電磁響應(yīng)效應(yīng)Rh/Pt多層膜Au、Ag、Pb、In、Ag-Re、Pb-Sn、Cu/SnMo/Si、W/C、Co/C、W/SiCCo/Pt等多層膜Fe/Cr、Cu/Co、Fe-Ag膜Cu/Ni、Cu/Pd、Ni/Mo超模量、超硬度性質(zhì)巨磁阻效應(yīng)

磁光效應(yīng)軟X-Ray反射性電催化性減磨潤滑性昆明理工大學(xué)博士學(xué)位論文開題答辯難混溶合金(immisciblealloy)系種類達500種以上，許多合金若以適當(dāng)方法得到合理組織結(jié)構(gòu):常指“彌散分布鑲嵌第二相—基體”的均勻化雙重(duplexstructure)結(jié)構(gòu)，可表現(xiàn)特殊性質(zhì)；特點:同類原子間的鍵合力高于異類間原子，△Hsolmix、△Hliqmix均為正值，常規(guī)技術(shù)條件下液態(tài)即出現(xiàn)富集不同組元的兩液相構(gòu)成的游動集團并伴隨偏晶反應(yīng)，熔體微觀不均勻?qū)?dǎo)致嚴重偏析，第二相難于均勻分布于基體中甚或出現(xiàn)兩相分層而使材料喪失性能和應(yīng)用價值；兩個研究方向:1.針對上述現(xiàn)象，尋求使偏晶合金均質(zhì)化的機理和工藝以拓展應(yīng)用，諸因素的作用程度及完整液-液分離機制尚待澄清;2.運用薄膜技術(shù)進行重構(gòu)與剪裁，開發(fā)新材料，突破傳統(tǒng)熔鑄工藝的局限。難混溶合金研究及應(yīng)用昆明理工大學(xué)博士學(xué)位論文開題答辯難混溶合金研究及應(yīng)用W-Cu電焊條商用材料

Ni-Pb,Cu-Pb,Al-Pb,Al-Pb-BiZn-PbBi-GaCu-Cr、Ag-Ni、Ag-Fe粒子近鄰效應(yīng)的超導(dǎo)性Cu-Pb、Al-Pb、Al-Bi自潤滑材料，軸瓦合金電化學(xué)材料

半導(dǎo)體性

電觸頭材料

第二相分離粗化的原因重力造成的Stokes運動界面張力驅(qū)動的Marangoni對流上述因素及相間界面能、Ostwald熟化、第二相含量和冷卻速度、二次對流、對流/擴散等

相應(yīng)解決方法微重力熔鑄（垂直連鑄和正交電磁場）控制鑄造快速凝固（霧化制粉、熔體旋淬、淬火、離心熔鑄、噴射沉積、流變鑄造、攪拌鑄造）+粉末冶金（動、靜態(tài)壓制、熱沖壓等）

熱壁

冷壁

昆明理工大學(xué)博士學(xué)位論文開題答辯固體薄膜制備技術(shù)

真空蒸發(fā)濺射沉積物理氣相沉積（PVD）分子束外延

（MBE）化學(xué)氣相沉積

（CVD）

氣相沉積

電鍍法

溶膠-凝膠法

熱壁

冷壁

離子鍍

電阻加熱

感應(yīng)加熱

電子束加熱

激光加熱

直流濺射

射頻濺射

磁控濺射

離子束濺射

直流二極型離子鍍

射頻放電離子鍍

等離子體離子鍍

ECR

MW

RF

DC

LECVD

PECVD

HFCVD

真空蒸發(fā)濺射沉積物理氣相沉積（PVD）分子束外延

（MBE）化學(xué)氣相沉積

（CVD）

氣相沉積

電鍍法

溶膠-凝膠法

熱壁

冷壁

昆明理工大學(xué)博士學(xué)位論文開題答辯

薄膜技術(shù)為難混溶體系的研究和應(yīng)用提供了更廣闊的空間和更有力的手段,事實表明許多該體系薄膜材料表現(xiàn)了諸多優(yōu)越性能并已獲應(yīng)用；基于濺射(Sputtering)和熱蒸發(fā)(ThermalEvaporation)技術(shù)的蒸汽淬火(VaporQuenching,VQ)法,與快速凝固、機械合金化、離子注入等典型非平衡過程相似,涉及氣相到固相凝華的超急冷過程,有著其高于108K/S的固有冷卻速率,可能使原子缺乏足夠擴散重組而形成利于均質(zhì)化的亞穩(wěn)或非晶合金。非平衡過程相變經(jīng)歷等效冷卻速率/K·S-1特點蒸汽淬火(VQ)氣→固108-1013超急冷凝華，制備特殊微型化材料離子注入(IP)氣→固≈1014需要受體，表面或制得膜改性(IM)快速凝固(RS)液→固105-106薄條帶或粉體需后續(xù)處理機械合金化(MA)固→固---耗時長，粉體需后續(xù)處理表1幾種非平衡過程對比昆明理工大學(xué)博士學(xué)位論文開題答辯薄膜技術(shù)制備難混溶系材料薄膜技術(shù)使難混溶系材料性能的獲得除雙重結(jié)構(gòu)外,還可有其余形式,如兩組元呈層狀分布。雖有疊軋技術(shù),層狀結(jié)構(gòu)較易通過膜技術(shù)實現(xiàn)適當(dāng)控制即可獲較理想化的、避免層間反應(yīng)的完整、“清潔”、銳利(sharp)界面,使界面處性質(zhì)突變,克服一般金屬膜在較低溫度下互擴散形成固溶體或金屬間化合物的缺點濺射法可制備多數(shù)物質(zhì),對涉及高熔點金屬研究有利可形成亞穩(wěn)、非晶合金及一定程度固溶體；觀察到難混溶混溶互轉(zhuǎn)變的尺寸及表面效應(yīng),具較大理論意義濺射法工藝穩(wěn)定,研究結(jié)果可為產(chǎn)業(yè)化提供直接依據(jù)薄膜技術(shù)用于該系材料研究,有廣闊理論發(fā)展空間和新現(xiàn)象、新功能的發(fā)現(xiàn)潛力昆明理工大學(xué)博士學(xué)位論文開題答辯Ag/Co、Fe/Cu、Fe/W、Co/W多層膜Cu-Nb、Cu-Ta、Ag-Ni、Cu/TaTi/Nb,Ti/Ta,Co/Ag,Co/Cu,Y/NbCu-Ag、Fe-Pb、Fe-Ag

Na/Al(111),Ag/Cu(100),Co/Cu(111)

高速磁控沉積Al-Pb、Al-Sn涂層

Au-Mo膜

W-Cu、Cu-Nb合金膜層間耦合，磁阻效應(yīng)非晶相及界面反應(yīng)晶化亞穩(wěn)相,合金化及非晶金屬一定程度固溶化表面合金化及尺寸效應(yīng)微結(jié)構(gòu)優(yōu)化,耐磨性提高真空或超凈環(huán)境的減磨

電子封裝、VLSI互連材料薄膜技術(shù)制備難混溶系材料昆明理工大學(xué)博士學(xué)位論文開題答辯Al-Pb難混溶材料研究現(xiàn)狀研究者制備研究方法特點A.D.MichicalT.D.Water垂直、水平連鑄早期方案,實用價值小I.Tetsuyuki,K.I,S.M

快速凝固，流變鑄造，攪拌鑄造可生產(chǎn)寬帶材或塊體，SC法第二相易存于晶界JeromeF.Cole,等胡勁,劉兵,王文靜機械合金化可使第二相減小到nm級需輔以后期壓制燒結(jié)L.Grabak等Pb粒子注入Al第二相減小到納米級Pb/Al呈立方-立方關(guān)系Feder,1974霧化快冷制粉+粉末燒結(jié)實現(xiàn)塊體Al-Pb生產(chǎn)工業(yè)化并成為傳統(tǒng)工藝表2Al-Pb難混溶合金制備工藝研究簡介昆明理工大學(xué)博士學(xué)位論文開題答辯Al-Pb難混溶材料研究現(xiàn)狀表3Al-Pb難混溶合金理論研究簡介研究內(nèi)容主要結(jié)果熱力學(xué)和相圖數(shù)據(jù)完善測定相圖、溶解間隙、△Hmix,導(dǎo)出最優(yōu)熱動力方程和分離相界面張力的線性式制備理論RS,MA,IP,VD,MS,IS等均可使粒度減至nm級而提高均質(zhì)化;RS,IP易得規(guī)則形態(tài)第二相粒子,其余方法多數(shù)形狀無規(guī)界面及第二相粒子結(jié)構(gòu)與演化半共格Pb/Al界面呈parallel-cube關(guān)系,Pb(111)和(100)面與Al平行使界面能最低,Pb為Wulff型截角八面體

受約束粒子或薄膜熔化與凝固Pb粒子熔點主受控于界面,取向隨機的非共格界面T↓,反之上升，熔化為熱動力雙因素控制，凝固僅受控于動力學(xué)界面能、界面及微觀結(jié)構(gòu)演化計算模擬MC,MD法結(jié)合EAM,MAEAM,SC,SEDP,GTE等模擬界面能、界面偏聚、合金構(gòu)成焓、擴散與合金化、熔化與過熱及固溶度預(yù)測等，結(jié)果與實驗觀察和理論預(yù)測較好吻合昆明理工大學(xué)博士學(xué)位論文開題答辯Al-Pb難混溶材料研究現(xiàn)狀表4Al-Pb難混溶系薄膜研究研究者方法主要結(jié)果奧地利H.Bangert高速同軸磁控濺射μm級Al-Pb,Al/Pb軸瓦涂層鑲嵌型組織,耐磨性提高王閘蒸發(fā)及磁控濺射沉積Al/Pb多層膜Al/Pb多層膜在λ=4nm時對紅外、X射線和雷達波有明顯衰減

郭詩玫磁控或離子束制Al/Pb納米多層膜紅外區(qū)反射比為0.6-0.8，而透過率很低

張麗華,張磊,N.T.Gladkikh冷疊軋,蒸鍍Al/Pb/Al膜

非共格Al/Pb界面穩(wěn)定性弱于共格，界面能影響Pb熔點J.I.Akhter分子動力學(xué)結(jié)合SC勢模擬受限Pb(110)膜熔化Pb(110)膜過熱受宿主基體取向強影響,置于Al(111)時過熱，Al(110)上無昆明理工大學(xué)博士學(xué)位論文開題答辯(1)理論研究方面，側(cè)重于對傳統(tǒng)方法如RS、MA等得到的試樣進行研究，薄膜和表面改性制樣方面，除CR、VD.IP外，其余涉及較少(2)理論研究盡管較深，但結(jié)果對既有工藝的改進有限；CR制膜須伴隨多次退火，IP制備二維材料或改善試樣整體性能可能性較小(3)潛在新功能的發(fā)現(xiàn)和設(shè)計亟需加強研究。難混溶系現(xiàn)已知多達500余種，而原因常是組元某些理化性質(zhì)差異，這是互補與耦合的重要條件，其組合潛含特殊性質(zhì)有待發(fā)掘，該體系蘊藏著高新材料廣闊開發(fā)潛力，輔以薄膜技術(shù)，充滿巨大創(chuàng)新空間難混溶材料研究存在的問題昆明理工大學(xué)博士學(xué)位論文開題答辯選題的科學(xué)性和創(chuàng)新性科學(xué)性:(1)對性質(zhì)相異而有互補性的材料進行復(fù)合,是開發(fā)新型特殊功能材料的重要方法；(2)顆粒膜、疊層膜構(gòu)成技術(shù)可實現(xiàn)任意人工剪裁、耦合(3)難混溶材料組元理化性能差異第Ⅰ相性質(zhì)第Ⅱ相性質(zhì)復(fù)合性能熱膨脹電傳導(dǎo)性熱敏效應(yīng)磁滯伸縮壓電性磁電效應(yīng)霍爾效應(yīng)電傳導(dǎo)性磁阻效應(yīng)超導(dǎo)斷熱消磁電熱效應(yīng)壓電熱膨脹熱釋電效應(yīng)光導(dǎo)電致伸縮光致伸縮表5單體組合構(gòu)成的復(fù)合材料性質(zhì)昆明理工大學(xué)博士學(xué)位論文開題答辯(1)材料設(shè)計創(chuàng)新，選取性能有優(yōu)勢互補性的組元進行設(shè)計、復(fù)合和剪裁，制備特殊性能材料，如用于金屬—半導(dǎo)體接觸的導(dǎo)電膜、微波及傳感膜、減磨膜、薄膜電極、電阻等；或?qū)扔胁牧显僭O(shè)計，調(diào)整結(jié)構(gòu)或組合，實現(xiàn)優(yōu)化或輕量高效(2)研究對象創(chuàng)新，以VQ法制備難混溶系薄膜為主要對象，區(qū)別于以往在MG條件下或以RS、MA.IP等制樣，豐富完善理論認知(3)提高均質(zhì)化程度，理論預(yù)測固溶度，研究合金的擴散、體構(gòu)型變化及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性(4)完善膜設(shè)計的方法學(xué)，結(jié)合模擬建立組元→工藝→膜成份與結(jié)構(gòu)→性能間的確切關(guān)系并建立相關(guān)模型選題的科學(xué)性和創(chuàng)新性昆明理工大學(xué)博士學(xué)位論文開題答辯前期研究及有益結(jié)果Ⅰ層狀結(jié)構(gòu)的獲得與控制[Al(30nm)/Pb(30nm)]2BFI及SADPPb層增至30nm時,覆蓋度＞0.8,完整、連接性較好,欲形成界面較完整的多層膜,Pb層厚應(yīng)大于35-40nm中心透射斑光暈明顯減小而清晰,多晶環(huán)線形精細更易辨,Pb單層連接變好,使Al、Pb間界面清晰化,電子波在膜層中的路徑趨于模型化[Al(20nm)/Pb(20nm)]2BFI及SADP昆明理工大學(xué)博士學(xué)位論文開題答辯前期研究及有益結(jié)果Ⅰ層狀結(jié)構(gòu)的獲得與控制[Al/Pb]交替沉積薄膜設(shè)計示意[Al(45nm)/Pb(45nm)]1薄膜XPS譜[Pb(45nm)/Al(45nm)]1薄膜XPS譜元素原子濃度(%)Pb4f96.27/5.44Al2p3.73/94.56兩種交替模式下薄膜表面元素含量Pb層位于Al層上時,有較好覆蓋力,Al層表面起伏小,形貌遺傳效應(yīng)弱,后續(xù)層易醫(yī)治形貌起伏,反之,Al層覆于Pb上時,有Pb突起峰露頭昆明理工大學(xué)博士學(xué)位論文開題答辯前期研究及有益結(jié)果Ⅰ層狀結(jié)構(gòu)的獲得與控制Al-Pb膜BFI(×105000)及SADPAl膜(左上)、Pb膜(左下)AFM像,Pb表層起伏高于Al薄膜昆明理工大學(xué)博士學(xué)位論文開題答辯前期研究及有益結(jié)果Ⅰ層狀結(jié)構(gòu)的獲得與控制沉積時基本凝并和吸附示意磁控Al-Pb,Al-Sn減磨涂層結(jié)構(gòu)根據(jù)左上圖示的沉積模型,遷移性強的軟組元Pb將因表面擴散和體擴散而凝聚,形成Pb粒子鑲嵌于Al的雙重結(jié)構(gòu),即使交替沉積時亦如此但上述實驗證實了對遷移性一強一弱的難混溶系,層狀結(jié)構(gòu)是可獲得的,為薄膜功能性的實現(xiàn)提供了基礎(chǔ)昆明理工大學(xué)博士學(xué)位論文開題答辯前期研究及有益結(jié)果Ⅱ電磁性能測試[Al(30nm)/Pb(30nm)]16的反射譜(左上)和透射譜(右上)Al/Pb納米多層膜從紫外→可見光→近紅外區(qū)的吸收譜樣品在300-2500nm波長范圍內(nèi),鏡面反射率R趨于0,透射率T也趨于0,吸收率A在3.0-4.5間。膜層可能有電磁功能特性昆明理工大學(xué)博士學(xué)位論文開題答辯全面考察X、Y組元的物理化學(xué)性質(zhì),利用有益互補性(諸如高導(dǎo)電與高導(dǎo)磁、強衰減與弱衰減、良導(dǎo)熱與良導(dǎo)電、高導(dǎo)電與耐高溫、強剪切抗性與弱剪切抗性、高熱膨脹性與高導(dǎo)電性、磁性與非磁性、磁效應(yīng)與光效應(yīng)等),研究組合優(yōu)勢,探索特殊性能材料的組合與成份研究內(nèi)容Ⅰ、幾類(X-Y)難混溶體系選擇

Ⅱ、薄膜濺射工藝研究與優(yōu)化

以Al-Pb系為代表，探討膜沉積的共性問題:襯底種類和表面清潔狀態(tài)、基片溫度、基片偏壓、沉積率、工作氣體壓強等參量對形核和生長過程、結(jié)晶狀態(tài)、微觀結(jié)構(gòu)、孔隙率、附著力和最終性能的影響主要工作模式(共沉積和交替沉積)下薄膜生長機理，交替沉積時單層、子層的厚度、完整連續(xù)性和界面結(jié)構(gòu)、粗糙度的控制測試薄膜性能，得出工藝參數(shù)對薄膜結(jié)構(gòu)與性能的影響程度與機理并優(yōu)化參數(shù)；探索進行工藝參數(shù)→膜結(jié)構(gòu)→性能間關(guān)系研究時所遵循的范式昆明理工大學(xué)博士學(xué)位論文開題答辯薄膜組元的取向、形態(tài)、尺度及粒子的運動和形貌演化,薄膜應(yīng)力、界面結(jié)構(gòu)和晶格馳豫現(xiàn)象的研究結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性(熱處理、常規(guī)和特殊環(huán)境下的時效、高能射線輻照等對晶粒、粒狀彌散和層狀結(jié)構(gòu)及宏觀性能穩(wěn)定性的影響,及鑲嵌或夾層約束下組元晶體的過熱現(xiàn)象和機理)冷襯底沉積、高工作氣壓濺射、高速率沉積、共沉積淬火、雜質(zhì)穩(wěn)定化等可細化粒子而增進均質(zhì)化程度的方法對所選體系的效果,難混溶系合金薄膜細觀結(jié)構(gòu)和均質(zhì)化機理利用分子動力學(xué)(MD)方法結(jié)合SC勢、經(jīng)驗與半經(jīng)驗粘合勢、EAM、MAEAM勢、半經(jīng)驗密度泛函勢等模擬,與實驗現(xiàn)象進行對比,對薄膜