薄膜/半导体体系扩散行为和界面反应的强磁场控制研究

界面原子的扩散迁移是影响其稳态特性的基本因素，也是动态条件下改变界面结构的重要起因之一。控制界面扩散及因扩散发生的界面反应，已经成为器件结构设计、稳定工作和失效分析的关键。本研究采用薄层源扩散偶退火实验和理论计算相结合的方法，考察强磁场作用下,薄膜/薄膜、薄膜/半导体之间的界面扩散反应。通过表征界面迁移距离、过渡层厚度和成分分布、界面物种等，建立强磁场下有效扩散系数的表达式和扩散反应动力学方程。旨在深入揭示强磁场对体扩散和晶界扩散的影响规律和作用机理、磁自由能对扩散驱动力和跃迁势垒的影响之间的竞争关系、和强磁场影响下控制界面产物生长的主要因素。提出利用强磁场无接触地控制原子扩散迁移和界面反应的技术原型。本研究有助于建立和丰富强磁场材料界面科学理论，为在现代技术中利用强磁场促进或防止界面扩散迁移，调控界面产物的结构和性能提供理论基础和实验依据。

通过制备不同组元的薄膜源扩散偶，研究了均恒强磁场条件下，Co/Si(100) (低温)、Co/Si(100) (高温)、Co/Ni/ITO glass以及Co/Cu/Co/Si(100)等薄膜体系扩散偶中界面互扩散行为和界面反应扩散行为，较系统地考察了磁场强度和磁自由能对晶界扩散、体扩散、扩散反应产物生长的影响规律。通过表征界面迁移距离、过渡层厚度和成分分布、界面物种等，建立强磁场下有效扩散系数的表达式，旨在深入揭示强磁场对沿着不同路径进行的微-纳尺度异质界面扩散行为的影响规律和作用机制。同时，进一步研究了强磁场通过影响扩散而影响薄膜体系的界面结构及磁性能。研究结果对于明确强磁场对薄膜体系中各种与扩散有关的现象的影响机理，强磁场下微-纳尺度异质界面的扩散反应行为控制，以及强磁场对薄膜体系磁性能的调控具有积极意义。