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国家重大科研仪器项目“针对若干国家战略需求材料使役条件下性能与显微结构间关系的原位研究系统”取得阶段性重要进展

日期 2014-11-02   来源:数理科学部   作者:张守著  【 】   【打印】   【关闭

  随着现代半导体技术的发展,集成电路中金属互连线以及电极的特征尺寸正在向10纳米逼近。在这样小的尺度下,作为基础框架的金属形态是否能够保持类似块体材料的稳定性?若有明显差异,如何保障在如此微小的尺度下电子器件物理性能的稳定性?解决这一问题是现代集成电路产业面临的理论和技术的挑战。

  近日,浙江大学张泽院士负责的国家重大科研仪器项目(批准号:11327901)团队中,来自东南大学的孙立涛教授与麻省理工学院李巨教授、匹兹堡大学毛星源教授等通力合作,改进了一种原位电子显微技术,在国际上首次观察到10纳米以下金属银晶体颗粒在室温下的类液态形变行为。论文以“Liquid-like pseudoelasticity of sub-10-nm crystalline silver particles”为题在《Nature Materials》杂志上在线发表,并被选为封面论文。

  室温下,这种尺度为10nm以下纳米晶体银颗粒在挤压、拉伸等外力作用下,会如同揉面团般柔软,甚至如液态般任意变形;更为奇特的是,外力撤除后,纳米颗粒可以像电影“终结者3”中的液态金属人那样,自动恢复其原形!这种奇特的纳米颗粒塑性形变,超越了传统的金属物理中位错等缺陷导致的塑性形变理论,在变形的整个过程中颗粒内部始终保持着完好的晶态结构,并非是体内位错的移动而导致的形变。实验和理论计算表明,这种变形是通过纳米银颗粒表面的一两层原子扩散以降低表面能来实现的,类似于Coble蠕变。不同的是这种塑性变形又具有赝弹性,即可以恢复原形。这一发现暗示随着金属颗粒尺寸减小,经典的Hall-Petch规律中“越小越强”不再适用,会逐渐过渡到“越小越弱”。同时,这项工作对于如何维持下一代纳米电子器件中的互连线和电极的稳定性,以及如何实现超小尺寸的纳米加工工艺,有着重要的指导意义。

  该成果还得到国家自然科学基金(61274114, 51201032 ,51071044)、国家“973”计划以及教育部和江苏省自然基金等项目的资助。

Nature Materials》杂志封面图片

室温下银纳米颗粒受挤压时表现出的液态行为

论文链接: http://www.nature.com/nmat/journal/vaop/ncurrent/full/nmat4105.html

Nature (2014) doi:10.1038/nmat4105, Published online 12 October 2014.

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