力电耦合对不同尺寸铜纳米线、薄膜传导和电迁移性质的影响

2010年，美国杜克大学的研究人员新发明了一种用以制造透明的柔性显示器、太阳能电池板以及电子线路的铜纳米线技术，有望在未来制造出一种可任意折叠或卷曲的平板电脑！然而，由于具有微尺度、多场耦合的服役条件特征，也使铜纳米线在实际工作过程中出现了层出不穷的损伤失效形式，导致其传导性能衰减，这也是此项技术用于实际生产面临的重大问题。所以本项目主要目的是研究其在多场耦合下传导性质的机理，从而通过对多场参数的调节来提高其传导性能。本研究将采用多种模拟方法对铜纳米线的力电耦合过程进行计算机模拟，建立动力学的尺寸效应函数。同时，将根据计算机模拟获得的工作环境参数（力场、电场强度）进行原位力电耦合实验，整合模拟和实验结果，有效的做到理论与实验结合，为铜纳米线在未来的集成电路中的使用，提供结构稳定、更高传导率并具有良好的抗电迁移性能的工作环境参数。

本项目的研究工作大体上按计划已执行，如完成了铜纳米线、薄膜的结构的力电耦合效应分析；采用计算机模拟技术，获得了在力电耦合作用下铜纳米线、薄膜的电子态密度图，观察电子分布如何随电场、力场强度变化。通过得到的部分态密度图，分析力电耦合对各个电子层的影响。同时，电荷密度差，Mulliken电荷分析，等电子表面等分析方法可以给予电子态密度很好的补充，并提供直观的电荷分布图形界面，以及量化正负电荷数目。模拟结果证明在未加电场的情况下，铜纳米线量子传导率随纳米线的直径线性增加，强烈地依赖于纳米线的结构。这可能是由于有效电导态的数目随纳米线中原子数目的增大而增加。在电场作用下，与直线型铜纳米线相比较，螺旋状铜纳米线的直径发生了收缩，随着直径的增加纳米线的收缩量逐渐增加，并且其收缩量小于非螺旋形的纳米线。加电场后纳米线的每个原子的平均结合能增加了很多，说明电场作用使得铜纳米线变的更加稳定。非螺旋形结构纳米线在加电场之后量子导电通道数减少，而螺旋形结构纳米线在加电场之后量子导电通道数增加。同时，螺旋型纳米线在1 V/Å，2.5nN时传导率最好，比直线型能够承受更多的应力，更适合作为透明柔性材料。我们实验铜方面完成铜薄膜的制备，以及力电耦合下结构性质的表征评价。整合模拟和实验结果，并建立铜纳米线、薄膜力电耦合下服役行为的尺寸依赖的数学函数模型，从而完善目前模拟和实验的尺寸间隙。同时，结合模拟和实验结果，获得力场、电场等参数对铜纳米线、薄膜传导性质的影响规律，分析多场对其影响的机理，并提出结构稳定且具有良好抗电迁移性能的纳米线、薄膜工作环境参数，有望扩展其在微电子领域的应用。我们制备铜薄膜，其耐弯曲性能受结构影响很难达到柔性材料商业应用要求，所以我们制备了晶体/晶体(Cu/Zr)与晶体/非晶(Cu/CuZr）铜基纳米多层膜，使其强度，耐弯曲性能大幅提高。因此，采用磁控溅射与聚焦离子束(FIB)相结合的方法制备晶体/晶体(Cu/Zr)与晶体/非晶(Cu/CuZr）铜基纳米多层膜，通过调控组元尺度、调制结构、晶体结构以及界面结构等微观特征，综合透射电镜联用纳米力学测试(PI 95)和理论计算两种方法，研究微尺度铜基纳米多层膜试样尺寸与原子结构、界面结构、传导机制的相关性,将是我们下一步工作的主要内容。