2016大创结题PPT陈煜

19
在电子工业领域，电子元器件日益微型化和薄膜化，这就使得各种材料形成 大量的表面和界面、由此产生的各种现象如腐蚀、互扩散、偏析等，都会对 材料的组成结构产生重大影响，从而改变元器件特性。 在材料科学领域，金属材料的表面和界面经常发生吸附、化学反应、偏析和 扩散等物理化学过程，使表面或界面的元素组成和物相分布等都明显不同于 体相，容易发生表面腐蚀、钝化、磨损、以及脆化断裂、界面脆裂等问题。 薄膜表面偏析的研究是要了解外不可控因素（如组成、结构、温度等）和表 面性能之间的关系，从而指导人们增强或减少甚至避免表面偏析现象。
Pd-Si薄膜表面偏析研究的意义：
更好的应用Pd-Si薄膜材料 薄膜材料的性能主要由材料成分、 显微组织、相结构和界面状态所决 定，而这些均与表面处理技术和工 艺有关。因此，分析薄膜材料的上 述因素与其性能、处理工艺之间的 关系，是提高工艺水平、保证薄膜 质量的重要途径。
3
修正的 Darken 模型
项目成员：陈煜 邹永恒 杨士栋 黄立豪
指导老师：王江涌教授 报告人：陈煜
1
I. 研究背景
II. 项目内容
IV. 应用价值
III. 研究成果
2
Pd-Si薄膜
Pd-Si薄膜：金属硅薄膜： 在半导体器件领域的广泛应用（欧 姆接触、肖特基接触、互连线等） 在加工工艺中具有兼容性和制造简 易性等优势 目前Pd-Si薄膜研究的主要方向： Pd-Si界面的化学键和反应、Pd-Si 系统的相变等
5
假设： 1.系统为封闭体系 2.表面区域有限而体相无限 3.原子可以在表相和体相之 间互相交换，以达到体系 能量最小
6
耦合的速率方程组：
X
S
t X B1 t X ( j ) t X t
N

DX B1 RTd 2 DX B2 RTd 2
B1 , S B2 , B1 DX B1 RTd 2 B1 , S
Ω = -445KJ/mol时，Pd2Si合金薄膜系统，在不同 温度下，Si平衡的表面浓度与薄膜厚度的关系
16
平衡态的模拟结果：
结论：对于Pd-Si薄 膜系统，各成分的极 限厚度都小于2nm， 这意味着尺寸效应对 其表面偏析的影响甚 小
在温度T=1200K，Pd-Si合金在不同初始体浓度下Si 平衡的表面浓度与薄膜厚度的关系 标志垂直线为极限厚度
5）尺寸效应对Pd-Si薄膜合金系统表面偏析影响较小，基本忽略不计； 6）在动态偏析过程中Pd-Si合金薄膜达到平衡态所需时间极其短，为10-3s；动态计算 的Si表面偏析浓度最终结果与平衡态结果相符。
13
结论： 分别由 Miedema 模型半经验公 式和相图计算得到的 Pd-Si 系统各成分 的相互作用系数Ω 值相差较大，但其符 号一致，且其各成分间Ω 值得变化趋势 相同，所以可以用其进行定性判断。
12
1）得到lPd-Si合金系统的偏析参数计算值；
2）对于Pd-Si合金系统，都是Si发生表面偏析；
3）Pd-Si合金系统的负强相互作用系数抑制了Si原子的偏析，Si的偏析程度很小，表 面偏析现象不明显；
4）不管在体块还是薄膜材料中， Pd-Si合金系统对于同一相互作用系数，Si平衡的表 面浓度随温度变化很小；在薄膜材料中，当薄膜厚度小于一定值时，Si的表面浓度不 随温度的变化而变化；

DX ( j 1) RTd 2 DX BN RTd 2
( j 1, j )
DX ( j ) RTd 2
( j , j 1)

BN , BN 1
7
Bragg-Williams表达式：
s B X X G 2 X X exp s B 1 X 1 X RT s B
ห้องสมุดไป่ตู้


8
修正的Darken模型在薄膜中的应用：
体块 薄膜
N有限，当体层的原子偏析到表层后， 体层原子浓度会发生显著变化，考虑 薄膜尺寸效应的约束条件
0 S K 1 K
N
B1 B2
Bj
BN B
K=2/l
9
10
11
陈煜，黄立豪，杨士栋，邹永恒， 姜国利，王江涌，钯-硅(Pd-Si)薄膜 表面偏析研究，材料科学（MS）， 第6卷第6期（ 2016年11月）
主要对Pd-Si薄膜系
统的平衡态和动态 表面偏析进行了模
考虑薄膜 尺寸效应 约束条件
拟计算
4
偏析参数的获取
• Miedema 模型：建立在基本热力学参量和大量 热力学实验参数基础上的半经验理论模型 • 相图CALPHAD：相图和热力学计算的结合
假设
• Pd-Si薄膜系统的偏析参数与体块的偏析参 数相同
17
动态的模拟结果：
结论：动态偏析过程中，Pd-Si 合金薄膜达到平衡态所需时间 极其短，为10-3s；动态计算的 Si表面偏析浓度最终结果与平 衡态结果相符
在700K 下，Pd2Si 合金在膜厚为3nm 时Si的表面浓度和时间的函数
18
薄膜材料的应用种类： 超导薄膜、导电薄膜、半导体薄膜、介质薄膜、绝缘薄膜、钝化与保护薄膜、压 电薄膜、铁电薄膜、光电薄膜、磁电薄膜、磁光薄膜······ 潜在应用： 化学分离、化学传感器、人工细胞、人工脏器、水处理······
20
特别的，感谢王江涌老师在选题，构思到最后定稿的各 个环节上的细心指引与指导。 特别的，我要向百忙之中抽时间对本项目的结题答辩进 行审阅、评议的各位老师表示感谢。
恳请各位老师批评指正！
21
14
结论：较大的负相互作用 系数抑制了Si原子的偏析
合金薄膜系统分别在无相互作用和有强相互作用情况 下Si平衡的表面浓度与薄膜厚度的关系
15
平衡态的模拟结果：
结论：当薄膜厚度大于极限 厚度时，尺寸效应对薄膜的 偏析影响小；当薄膜厚度小 于极限厚度时，尺寸效应对 薄膜的偏析影响大 垂直线标记为极限厚度