外場作用下材料表-界面結(jié)構(gòu)演變的原位透射電子顯微學(xué)研究.pdf

1、材料的表/界面不同于體內(nèi)，遵循不同的物理化學(xué)規(guī)律，可以賦予材料獨特的性能。目前，隨著納米材料的發(fā)展和微電子器件尺寸的不斷縮小，表/界面結(jié)構(gòu)對材料和器件的性能影響將越來越顯著。從微觀尺度上揭示表/界面的這種重要影響以及闡明其對性能影響的相關(guān)機制是目前亟待解決的主要科學(xué)問題。本文基于原位透射電子顯微學(xué)方法，以實際應(yīng)用中具有重要作用的銀等金屬材料為例，研究了其在不同外場作用下表面及界面的結(jié)構(gòu)演變對材料本身及潛在器件結(jié)構(gòu)的性能影響。主要的研究內(nèi)

2、容和結(jié)果如下:
　　1.力場作用下10納米以下銀顆粒表面結(jié)構(gòu)演變的原位研究。
　　(1)基于透射電子顯微鏡，發(fā)展了原位制備具有清潔表面的銀納米顆粒的實驗方法。
　　(2)在室溫下，首次從原子尺度上觀察到10納米以下銀顆粒的類液態(tài)變形行為，即無論在擠壓、拉伸或剪切應(yīng)力作用下，撤掉外力后銀納米顆粒都能基本恢復(fù)到初始形狀的現(xiàn)象。
　　(3)提出了基于表面擴散的Coble贗彈性理論。10納米以下銀納米顆粒在外力作用下通過

3、表面原子的擴散、遷移和重構(gòu)來釋放應(yīng)力，類似于Coble蠕變，故我們把這種變形方式定義為Coble贗彈性形變。同時，借助分子動力學(xué)模擬的方法進一步證明了Coble贗彈性主要通過表面的單原子擴散來完成，且所需時間取決于擴散激活能勢壘較大的非(111)面的擴散。
　　(4)我們的工作表明:當(dāng)進入小于10納米尺度后，表面擴散占據(jù)主導(dǎo)，“越小越強”的Hall-Petch強度關(guān)系σ∝R-α（0.5≤α≤1）會變成“越小越弱”的Coble贗彈性

4、σ∝Rn。
　　2.電場作用下銀/銅/鎳與氧化鋯界面結(jié)構(gòu)演變的原位研究。
　　(1)在電場作用下，研究了Cu(Ag)/ZrO2/Pt結(jié)構(gòu)的演變，觀察到導(dǎo)電細絲的形成是從活潑電極（Cu或Ag）的界面處開始的，并不是如傳統(tǒng)的電化學(xué)金屬化理論所預(yù)測的“從惰性電極(Pt)的界面處開始”。反向電激勵時，導(dǎo)電細絲的破滅是從惰性電極(Pt)的界面處先破滅，也和經(jīng)典理論不同。EDX分析和電阻-溫度測試都表明導(dǎo)電細絲是金屬型的，因此Cu(Ag

5、)/ZrO2/Pt結(jié)構(gòu)的阻變屬于電化學(xué)金屬化型。第一性原理計算表明，Cuz+和Ag+離子很難摻雜ZrO2晶格，即使摻雜也是以間隙原子的方式（這將無法引入氧空位），因此Cuz+和Ag+摻雜ZrO2晶格形成三元導(dǎo)電相的可能性被排除。我們把上述反?，F(xiàn)象的出現(xiàn)歸因于傳統(tǒng)的電化學(xué)金屬化理論沒有考慮到金屬離子在固態(tài)電解質(zhì)中固溶度和遷移率的巨大差異。
　　(2)在電場作用下，研究了Ni/ZrO2/Pt結(jié)構(gòu)的演變，得到了和Cu(Ag)/ZrO2/