《微/納器件電極材料界面力-電耦合效應的基礎研究》是依託江蘇大學，由程廣貴擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：微/納器件電極材料界面力-電耦合效應的基礎研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：程廣貴
- 依託單位：江蘇大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
在微電子器件及微/納機電系統的製造和運行中普遍存在界面電接觸問題，材料的力學、電學性能在力和電的共同作用下會發生一系列有意義的變化，通過用物理和化學的方法對微電極薄膜材料進行表面改性可以降低界面接觸電阻、提高接觸可靠性。本項目從力-電多場耦合角度出發，運用納米力學測試系統及其ECR模組對微電子行業中常用的金、銀等金屬以及矽基半導體薄膜在力作用下的電接觸行為進行理論和實驗研究，深入研究力作用下材料力學性質、表面效應、工作環境等對界面電接觸、摩擦性能的影響；揭示典型多層電極界面上接觸電阻的形成機理；建立界面力－電耦合的理論模型；獲得界面電接觸性能評價、控制的新方法以及界面電控摩擦理論；探索薄膜材料表面改性方法。研究成果可運用於微納機電產品的設計製造中，提高產品的使用壽命，此外，該研究可以進一步促進機械、物理、化學、材料、力學等多學科的交叉融合。
結題摘要
微/納機電系統通常是機與電的集合體，因此微電極、構成微器件的異質多層薄膜之間的電接觸行為將影響系統工作的可靠性和壽命。不同於巨觀的電接觸特性，在微系統中影響電極觸頭的接觸性能因素比較多，雙電層效應、表面污染物、表面氧化、表面形貌、表面力、表面摩擦磨損、異質材料等等都會改變其電接觸性能，導致器件失效。本項目從力—電多場耦合角度出發，運用分子動力學模擬軟體、納米力學測試系統及其ECR模組對微電子行業中常用的鋁、銅、銀等金屬以及碳基、矽基半導體薄膜在壓力作用下的電接觸行為進行理論和實驗研究，深入研究了材料力學性質、表面效應、工作環境等對界面電接觸、摩擦性能的影響；揭示了典型多層電極界面上接觸電阻的形成機理；建立了界面力－電耦合的理論模型；獲得了界面電接觸性能評價、控制的新方法；探索了界面電控摩擦理論及薄膜材料表面改性方法。首先，基於泛函密度理論（DFT），以單壁碳納米管為研究對象，研究了電場下無缺陷碳納米管和碳納米管分子結的力－電耦合性能，總結了不同強度的電場下其相關力學、電學性能參數的變化規律。建立了金屬-半導體接觸界面的數學模型，採用分子動力學對金屬－半導體納米管分子結在電場下的力－電耦合行為進行研究，以納米間距的Cu/Si、Cu/Al納米薄膜為研究對象，模擬研究了Cu薄膜不斷靠近Si、Al薄膜的動力學過程，探討間距、速度、溫度和表面形貌對薄膜間相互作用的影響，獲得了電子結構與電場強度之間的內在聯繫。採用有限元模擬軟體研究了兩端固支梁、懸臂樑兩種納米梁模型在靜電力與短程范德華力耦合狀態下與基體吸合過程的靜態粘附、動態、瞬態過程，獲得了梁在不同彎曲變形率下范德華力與靜電力之間的耦合作用規律。其次，實驗製備了GeSbTe相變薄膜、聚吡咯薄膜、氫化納米矽薄膜、鋁等導電材料，利用納米力學測試系統對其電接觸行為進行了研究，重點討論了不同電壓值、不同載荷作用下導電探針與薄膜之間的力-電耦合行為，揭示了幾種電接觸材料的力-電耦合作用規律，結果表明，在電壓、力載荷作用下材料的力學性能與電學性能會發生顯著變化，材料均勻性及結構特徵影響材料的導電性能。運用石墨烯枝接矽烷偶聯劑對金屬電極鋁表面進行電化學改性，有效改善了材料在載流作用下的摩擦學性能及耐腐蝕性能。本項目的研究結論可為微納器件與系統中電極材料的設計與套用提供理論參考。
