外場作用下材料表-界面結(jié)構演變的原位透射電子顯微學研究.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機制是目前亟待解決的主要科學問題。本文基于原位透射電子顯微學方法，以實際應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)構演變對材料本身及潛在器件結(jié)構的性能影響。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、拉伸或剪切應力作用下，撤掉外力后銀納米顆粒都能基本恢復到初始形狀的現(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、遷移和重構來釋放應力，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:當進入小于10納米尺度后，表面擴散占據(jù)主導，“越小越強”的Hall-Petch強度關系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)構演變的原位研究。
　　(1)在電場作用下，研究了Cu(Ag)/ZrO2/Pt結(jié)構的演變，觀察到導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)的電化學金屬化理論所預測的“從惰性電極(Pt)的界面處開始”。反向電激勵時，導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-溫度測試都表明導電細絲是金屬型的，因此Cu(Ag

5、)/ZrO2/Pt結(jié)構的阻變屬于電化學金屬化型。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晶格形成三元導電相的可能性被排除。我們把上述反常現(xiàn)象的出現(xiàn)歸因于傳統(tǒng)的電化學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)構的演變，得到了和Cu(Ag)/ZrO2/