Acta Mater.：沉积在蓝宝石表面的多晶Mo薄膜的固态除湿

【引言】

沉积在非润湿惰性基材上的金属薄膜在低于熔点的高温下会发生凝聚。膜凝聚的过程，也称为固态除湿，其驱动力为系统的总表面能和界面能的减少，而其动力学由金属表面的自扩散所控制。固态除湿起始于膜中通孔的成核，并通过三相结（蒸气／基底／薄膜）的运动而长大。由孔排出的材料通常在其边缘处累积，在除湿的中间阶段形成网状或分支结构。金属膜凝聚可用于制造微颗粒、纳米颗粒阵列，应用于碳纳米管和半导体纳米线的催化生长、感测、等离子体激光和其它光学应用。在中间阶段形成的复杂互连的网状金属结构可用作燃料电池的电极。然而，实际上除湿过程仍然不能完全控制。

【成果简介】

近日，以色列理工学院的E. Rabkin在Acta Mater.上发表了题为“Solid state dewetting of polycrystalline Mo film on sapphire ”的文章。这篇文章中研究了沉积在蓝宝石基底上的Mo薄膜的固态除湿动力学。该过程的动力学可由具有两个不同指数的Johnson-Mehl-Avrami-Kolmogorov方程描述，表明在长时间退火过程中孔成核速率降低。研究人员将这种降低与晶界和三相结的作用以及退火过程中晶粒的生长联系起来。每个膨胀孔部分被异常大的颗粒包围，其余部分则与原始厚度的未受干扰的膜相接。孔的膨胀主要发生在平膜的方向上。研究人员基于在异常晶粒方向上的表面扩散制定了孔膨胀的动力学模型。

【图文导读】

图一：同一区域不同热处理时间的AFM显微照片

(a-h) 热处理15min(a)、30min(b)、45min(c)、60min(d)、120min(e)、180min(f)、240min(g)和300min(h)后的同一区域的AFM显微照片（尺寸为15×15μm²）。

图二：Mo膜的SEM显微照片

(a) 沉积的Mo膜的SEM显微照片。

(b) 在940℃退火60分钟的Mo膜的SEM显微照片。

图三：各实验参数随退火时间的变化趋势

(a) 两个研究区域的膜中孔数与退火时间的函数关系。

(b) 四个代表性孔的面积与退火时间的函数关系。虚线连接平均值。

(c) 两个研究区域的基底面积与退火时间的函数关系。

(d) 膜中的平均粒径与退火时间的函数关系（不包括位于孔缘的颗粒）。

图四：沉积（a-c）和部分团聚（d-f）膜的EBSD图

(a、d) 图片质量。

(b、e) 正方向的EBSD图。

(c、f) 滚动方向的EBSD图。

(h、i) 沉积和部分凝聚的薄膜的{110}极数。

图五：沉积（a-c）和部分团聚（d-f）膜的EBSD图

(a) 在1380℃退火24小时后形成的Mo颗粒的HR-SEM显微照片。

(b) 薄膜（蓝色）和颗粒（红色）的θ-2θXRD图案。

(c) （110）Mo反射的平面PF。

(d) 完全凝聚样品的极角60°处的相应方位强度分布。

【小结】

在这篇文章中，作者提出了一种基于沿着异常长大的晶粒方向的表面扩散的空穴生长的动力学模型。该模型描述了在长时间退火条件下除湿通道的稳态增长，符合Jiran和Thompson的模型。作者将孔中的异常晶粒的横向生长与表面扩散通量的几何形状、以及孔中排出的充当吸收材料的晶粒相关联。最后，作者强调，在蓝宝石上的Mo的固态除湿与FCC晶体的多晶薄膜的除湿有许多相似之处。

文献链接：Solid state dewetting of polycrystalline Mo film on sapphire（Acta Mater.2017，DOI: 10.1016/j.actamat.2017.07.057）

本文由材料人编辑部计算材料组daoke供稿，材料牛整理编辑。

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