金属纳米薄膜/纳米导线的晶粒、晶界和边界电阻的实验方法及理论研究

It is almost impossible to directly measure the resistance of grain, grain boundary and surface due to the technique problems. In this research a special metal thin film will be studied on its resistance, whose microstructure is characterized with 2-dimensional lateral grains, strong texture and low defect density. Meanwhile, the crystalline structure, FS model and MS model are applied with the measured resistances together for theoretical explaination. The studied fileds are: (1) to measure the grain resistance, GB(grain boundary) resistance and surface resistance，and then to study the relationship of GB resistance versus grain size, surface resistance versus wire size; (2) to measure the grain resistance in different orientations, and then to study the relationship of grain resistance versus crystalline orientation; (3) to measure the GB resistance in different orientations, and then to study the relationship of GB resistance versus current orientation; (4) to map the GB resistance versus grain size and the surface resistance versus wire size in database, and study the mechanism of resistance in the metal thin films. Furthermore, if compared with the sputtering thin thin films, the used ones in this research are much more efficient and bring a much longer lifetime. Therefore, this study on the electrical properties will provide a technique support for the applications of this new type of metal thin films.

针对金属晶粒、晶界和边界的电阻无法直接测量，从而无法验证相关理论的问题，本项目以具有二维微观结构、织构强烈、缺陷稀少的金属薄膜作为研究对象，并且以微观结构理论、FS理论和MS理论为研究基础，提出电阻与晶粒取向、晶格排列混乱度、电子平均自由程等之间的关系，并建立理论模型。主要研究内容包括：（1）晶粒电阻、晶界电阻和边界电阻的测量，建立晶界电阻和边界电阻受尺寸影响的理论模型；（2）不同取向的晶粒电阻的测量，建立晶粒电阻各向同、异性的理论模型；（3）具有不同相交角度的晶界电阻的测量，建立方向影响晶界电阻的理论模型；（4）首次建立晶界电阻数据库和边界电阻数据库，并研究新的理论模型，为微观理论进一步发展提供实验依据。并且，本项目所用的新型薄膜具有比常规薄膜更低的发热率和更长的使用寿命，对其电学性能的研究将对应用领域提供技术支持。

此次研究是在纳米电子领域做的电学性能的基础研究。项目负责人博士期间用激光技术成功研究出了金、银、铜等金属的具有二维超大晶粒的纳米薄膜，该晶粒不但是二维平面带状特殊结构，而且具有很少的缺陷密度，以及在三个物理方向上都具有超强的晶体织构。本项目主要基于200纳米厚度的二维超大晶粒的金属铜薄膜，以FIB制备出各类微纳铜线，该铜线包括几种类型：.（1）长度均为5μm，厚度均为200nm，而宽度分别为75nm、100nm、125nm、150nm、175nm、200nm、500nm和1μm；.（2）铜线内所含晶界数目为：0、10^0、10^1、网状结构（普通溅射铜薄膜）。.各种微纳铜线采用四脚测量法得出电阻。研究表明，在百纳米级别的研究尺度内，不含晶界的纳米铜线电阻是普通溅射薄膜的50-90%，且在高电流密度下尚未观察到电子迁移现象（该现象决定了微纳电器的寿命，是测试的一个难点，需寻找合适的测量仪器继续研究）。.在研究过程中发现，此项研究的难度和先进性大大超出了申请预期，为世界范围内首次在二维金属单晶内成功制备微纳米元器件的探索实验，突破了技术瓶颈和理论限制，可列为最尖端的制备技术之一。.本研究所需要的制备能力部分超出了现有设备能力，且需要的测量能力也超出了现有设备能力。获得美国空军基地的国家实验室CINT纳米技术研究中心全力配合和优先支持，且该中心首席科学家Brian Swartzentruber博士（主要职责为发现新科学并推进关键科学）亲自设计、组装、调试纳米电阻测试设备，并执行电阻性能测试。.此次实验表明，制备无晶界微纳米元器件在技术上完全可行，突破了现有微纳米电子元器件制备技术的瓶颈，并为进一步推进该领域的理论科研提供了实验依据。我国作为首次成功探索完成该项技术的国家，在设备及制备手段跟进的情况下，将来可望在该领域内获得一席之地。.另外，研究过程中意外发现了：（1）FCC金属的kinetic转变点，该发现对于快速凝固领域的重要性极高，有望推进快速凝固领域的理论发展；（2）激光致薄膜晶粒二次细化。这2项新发现都需要进一步研究。