退火处理工艺在纳米多层膜材料研究中的应用进展

摘要

与传统块状材料相比,纳米多层膜因其小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应,表现出独特的光、磁、电、力学和热学性能,可作为光电材料、光吸收材料、电磁波吸收材料、磁记录材料和低温连接材料,被广泛应用于光学器件、半导体、电磁防护、加工制造、表面防护以及电子封装等领域。纳米多层膜的微观结构与宏观物理力学性能具有强烈的尺度效应。由于受制备工艺所限,纳米多层膜内部存在的空位、位错等缺陷导致其在复杂服役环境中难以完全满足耐热、耐磨和耐腐蚀等要求,限制了纳米多层膜的发展。而在集成电路和芯片制造领域,纳米多层膜器件常处于偏离常温的苛刻工作环境中,具有较高表面自由能的亚稳态纳米多层膜在受热情况下会通过两相互扩散、层内脱离和界面结构变化等方式,趋向达到低能量的稳定结构,从而破坏了多层膜内部的微观结构,导致其熔点降低、超硬等特性消失或减弱。因此,研究纳米多层膜的微观结构演化、热稳定性及其失效机理,直接关系到纳米多层膜体系的服役寿命和可靠性。退火工艺作为一种常见的热处理手段,被广泛应用于消除金属内部的缺陷,从而达到改善材料性能的目的。对于在高温条件下工作的纳米多层膜,退火工艺也是延长其使用寿命的有效手段。目前退火工艺在纳米多层膜研究中的主要应用方向有:(1)通过改变退火温度、保温时间和冷却速度,改善纳米多层膜的性能;(2)通过提高退火上限温度,研究退火温度对纳米多层膜热稳定性的影响,获得保持微观结构稳定的临界温度。研究发现,适当的退火工艺可以细化纳米多层膜的晶粒结构,增加致密度,降低缺陷密度,诱导产生特殊结构,增强原子与位错的交互作用,从而提高薄膜的透光率,改善薄膜光学性能或磁学、电学和力学性能;(3)在一定温度区间内对纳米多层膜进行退火,通过TEM、XRD等手段观察多层膜内部界面的结构变化、原子扩散情况及新的物相生成情况,从而研究了纳米多层膜的结构稳定性、化学稳定性和力学稳定性。本文综述了退火工艺在纳米多层膜改性以及热稳定性研究中的应用进展,讨论了退火工艺对纳米多层膜性能(光学性能、磁学性能、电学性能、力学性能)的影响。重点介绍了退火处理温度对不互溶纳米多层膜体系热稳定性和组织演变的影响机理。最后指出了退火工艺在纳米多层膜研究中的进一步应用方向,以期对高强度、高热稳定性纳米多层膜的设计制备及在材料焊接/连接、集成电路、切削刀具、吸波涂层等领域的广泛应用提供重要的理论和应用价值。