【摘要】：在金屬/陶瓷的連接中,金屬在基體表面的潤濕與否是一種很重要的性能。而作為潤濕現(xiàn)象的反過程,反潤濕現(xiàn)象(Dewetting)近年來也受到了廣泛關(guān)注。沉積在非潤濕惰性基體上的極薄金屬膜通常處于亞穩(wěn)態(tài),在特定條件下激活質(zhì)量傳輸時會發(fā)生破裂并凝聚。這種由固態(tài)金屬薄膜破裂而轉(zhuǎn)變?yōu)槟鄣膷u狀、顆粒狀,與潤濕表現(xiàn)相反的過程稱為反潤濕。本方法也常用于在基體表面制造金屬納米顆粒,這種反潤濕自組裝技術(shù)制造的納米顆粒在催化、光電傳感器等方面有著廣泛的應(yīng)用。本文圍繞Cu-Ti復(fù)合金屬層在Si(100)基體表面的反潤濕展開了研究,結(jié)合分子動力學(xué)軟件LAMMPS進行模擬,探究其工藝及機理,并以可控的方式獲取排列整齊、尺寸均一的納米顆粒陣列,為其功能化應(yīng)用提供基礎(chǔ)。本文中,首先對Cu-Ti復(fù)合層的反潤濕進行了實驗,并對納米顆粒進行表征與局域表面等離子共振(LSPR)性質(zhì)測試。通過磁控濺射在Si基體表面依次沉積Ti、Cu金屬層,并采用管式爐在含5%氫氣的氬氣氣氛中進行保溫,獲得了納米顆粒。隨溫度與保溫時間增加,納米顆粒圓度增加,尺寸均勻度增加。隨厚度增加,金屬薄膜反潤濕發(fā)生的最低臨界溫度增加,厚度超過一定值時不再發(fā)生反潤濕。通過TEM對納米顆粒進行了表征,可知納米顆粒的物相組成存在Cu4Ti、Cu3Ti、Cu Ti與純Ti等,納米顆粒尺寸越大,Cu含量越高。在此之后,采用分光光度計進行了不同納米顆粒的LSPR效應(yīng)的測試,圓度提高會使共振峰半峰全寬更窄,納米顆粒的表面覆蓋率增加則會使吸收率提高,納米顆粒尺寸增加會使共振峰發(fā)生紅移。其次,對反潤濕現(xiàn)象進行了模擬。分別進行了多層金屬與單層金屬的反潤濕模擬,在多層金屬的反潤濕模擬中,其結(jié)果與實驗基本相符,說明實驗結(jié)果與模擬結(jié)果有較大的正確性與可信性。在單層金屬的反潤濕模擬中,判斷其反潤濕機制為旋節(jié)線反潤濕,并結(jié)合機理對反潤濕過程中多個標(biāo)志性變化進行了解釋。最后,為了降低對工藝參數(shù)的精確要求,在反潤濕實驗之前進行處理,使其表面圖案化,提高表面的有序性�；w表面的圖案化采用了HF+HNO3對部分表面進行腐蝕,最終出現(xiàn)大量不規(guī)則的納米顆粒,且尺寸均一性較低。薄膜表面的圖案化分別采用了微劃痕與納米壓痕兩種方式,二者在納米顆粒的尺寸與排列方面均有提升,分別獲得了一維排布與二維排布的納米顆粒陣列。
【圖文】：

圖 1-1 固態(tài)反潤濕過程[3]在集成電路與其他微電子系統(tǒng)等需要金屬薄膜或線的連續(xù)性和完整性時潤濕會導(dǎo)致薄膜破裂，，金屬線斷開，影響其結(jié)構(gòu)甚至損壞，尤其在高溫運如此，因此在這類系統(tǒng)中要盡量避免它的出現(xiàn)[3,4]。然而，反潤濕也可用表面制造金屬納米顆粒陣列[4-6]，用于化學(xué)和生物傳感器[1]，電子、光子和學(xué)器件等[7,8]。雙層金屬膜的反潤濕也用于生產(chǎn)核-殼金屬納米顆粒[9]。反階段形成的復(fù)雜網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)可用作燃料電池的電極。近年來較為普遍的應(yīng)

圖 1-2 預(yù)圖案化處理基體上的反潤濕過程[3]反潤濕中一個重要的參數(shù)是納米金屬顆粒自身的性質(zhì)。目前已經(jīng)對如下體系進行過研究：1.Au、Ag、Pt 等貴金屬。大部分貴金屬具有局域表面等離子共振（LSPR）特性，可應(yīng)用于光電系傳感器、光學(xué)元件、燃料電池等[8,16-19]。2. Fe、Co、Ni 等鐵磁性金屬。鐵磁性金屬可以應(yīng)用于傳感、鐵磁等離子體行為、納米磁性圖案等，還可用于碳納米管的催化劑[4,20-22]。3.Cu、Ti、Ta 等過渡金屬�？捎糜谔柲茈姵亍FID 標(biāo)簽、透明導(dǎo)電涂層材料等，同樣也可用于催化劑[23]。而承載納米顆粒采用 Al2O3、MgO 或 SiO2等，這是由于它們不易與金屬發(fā)生反應(yīng)且金屬在其表面不能潤濕鋪展[24-27]。近年來，學(xué)者們對反潤濕現(xiàn)象進行了廣泛的研究，但大部分針對單金屬元素體系進行研究，多組元金屬復(fù)合體系中僅對貴金屬（Au，Ag 等）有一定研究，對其余過渡金屬復(fù)合體系的研究少之又少。而過渡金屬復(fù)合體系納米顆粒在傳感、納米圖案、催化等多個方面有著潛在的應(yīng)用，對其進行研究有著重要意義。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TB383.1

【參考文獻】

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2 崔守鑫,胡海泉,肖效光,黃海軍;分子動力學(xué)模擬基本原理和主要技術(shù)[J];聊城大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版);2005年01期

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1 閻長江;溶劑誘導(dǎo)SBS聚合物薄膜去潤濕機理的研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2010年

本文編號：2683291