Science: 纳米晶铜膜从不平滑

【背景介绍】

金属纳米晶体（NC）广泛用于大规模集成电路中的电触点和互连。这些材料的重要性能，如它们的导电性和导热性，以及电迁移行为等都非常容易受到表面密度、晶界（GBs）及其位错的影响。此外，膜的表面粗糙度可以影响NC膜上材料的生长（例如电介质），并且通过调整势垒宽度进而影响隧穿器件的性能。许多NC膜中的晶粒都具有择优取向，如面心立方（fcc）金属（例如金和铜）通常以（111）面择优取向生长，如此一来，多晶及其晶界就有可能通过合并以形成具有光滑表面的膜。然而，Cu的晶界由堆垛层错（SFs）组成，而层错能是具有方向性的，可导致晶粒旋转和表面粗糙化。

【成果简介】

近日，来自爱尔兰都柏林大学的John J. Bolan教授（通讯作者）等人使用扫描隧道显微镜研究了铜纳米晶膜（111）面的低角度晶界（LAGBs）。晶界的存在致使膜上产生了由刃位错组成的“谷”和不全位错重组形成的“脊”。几何分析和模拟表明，面外晶粒旋转使晶界能量降低产生驱动力，正是这种驱动力促使“谷”和“脊”的形成。这些结果表明，一般来说不可能形成由铜以及其他层错能较小或位错线弹性场各向异性较高的金属组成的平滑二维纳米晶体薄膜。但是，如果能够通过有效调控晶界掺杂从而改变层错能，或者膜与基体的相互作用，还是有希望能够达到控制晶体旋转和优化纳米晶体薄膜性能的目的。相关成果以“Nanocrystalline copper films are never flat”为题发表在2017年7月28日出版的Science上。

【图文导读】

图1在铜膜(111)面上“脊”和“谷”处的晶界

图2 突出膜表面的低角度晶界（ LAGBs）的原子结构

图3 面内角θ与面外角φ旋转之间的关系以及GB能量的计算

图4 LAGBs的分子静力学模拟，θ= 3.89°

文献链接：Nanocrystalline copper films are never flat（Science,2017,DOI:10.1126/science.aan4797 ）

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