Science：不平的金属纳米薄膜

纳米晶金属被广泛应用于集成电路中，而这些材料的微观结构和性质（如晶界、内部位错、取向等），都会对材料的性能（如导电性、导热性等）产生很大的影响。另外，膜的表面粗糙度也会影响生长于纳米晶薄膜之上的其他材料，同时影响基于这些材料的器件性能。许多包含晶粒的纳米晶薄膜生长时会有择优取向，如面心立方金属铜和金一般沿（111）面生长，因此似乎可以期待最终形成平滑的薄膜。然而事情情况往往不如人意，金属（例如铜）中晶界间存在堆垛层错（stacking faults），而层错能具有方向性，会导致晶粒旋转并使表面粗糙化。

为了解决这个问题，近日爱尔兰都柏林圣三一学院的John J. Boland教授课题组使用扫描隧道显微镜（STM）研究了近平面铜纳米晶薄膜（111）面的小角度晶界。他们发现晶界旋转角的存在，导致薄膜表面产生了由刃型位错组成的“谷（vally）”和不全位错重组形成的“脊（ridge）”。换句话说，铜以及其他层错能较小和（或）弹性各向异性较高的金属，不可能形成平面的二维纳米晶薄膜。这一研究结果对于指导材料设计具有重要意义。相关论文发表在近期的Science 杂志上，第一作者为Xiaopu Zhang博士。

Xiaopu Zhang博士和John Boland教授。图片来源：AMBER, Trinity College Dublin

研究者分别制备了厚度为20 nm和50 nm的高质量铜纳米晶薄膜，并使铜沿（111）晶面生长。通过STM观测，能明显看到薄膜表面形成的“脊”和“谷”的结构。铜的层错能较小，约为41 mJ/m²，因此晶格位错通常分解成两个肖克利不全位错。而Burgers矢量也揭示了位错的方向性，这与“脊”和“谷”的反对称性相一致。同时，这种现象也适用于其他层错能较小的面心立方的材料，比如金和银，以及其他高各向异性位错线能的材料。

铜（111）晶面上“脊”和“谷”处的晶界，来源：Science

通过对（111）晶面的晶界能计算，每个重复单元都包含一对大小相等、方向相反的取向差。并因此在平面内（θ）和平面外（ψ）形成旋转角，晶粒在一端形成一个“谷”，而另一端就要形成一个“脊”。无论平面内旋转角（θ）取何值，当平面外旋转角ψ = 19.47°时，晶面的晶界能最小。因此面外晶粒旋转使晶界能量降低，各项异性的位错能是导致薄膜表面产生“脊”和“谷”的主要原因。

平面内（θ）与平面外（ψ）旋转角之间的关系及晶界能计算。图片来源：Science

“我们的研究表明完全平整的铜及其他金属纳米薄膜是不可能实现的”，John Boland教授说，计算结果和STM观测都表明晶界处旋转角的存在，薄膜的粗糙化不可避免。更重要的是，他补充道，“我们下一步计划控制材料晶粒的旋转，比如通过晶界掺杂或薄膜与基底的相互作用等方法，可以优化纳米晶体薄膜的性能。如果成功，这不仅可以使我们控制材料的能力达到前所未有的水平，还能影响到电子器件以及医疗和诊断等很多领域的应用和发展，并促进更多材料的设计和创新。”^[1]

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Nanocrystalline copper films are never flat

Science, 2017, 357, 397-400, DOI: 10.1126/science.aan4797

参考资料：

1. http://ambercentre.ie/news/single/amber-research-reveals-a-fundamental-breakthrough-in-the-future-of-designin

（本文由小希供稿）