纳米金属薄膜固液相变及液态光学性质研究

Metallic materials have wide applications in optoelectronic field, such as metal interconnection in integrated circuit, storage film for floppy/hard disks, laser reflective film, etc. Solid-liquid phase transition, high temperature melting, and so on are often involved in the process of metallic materials processing and utilization, and even liquid metal is used in some applications such as flexible electronic devices. Therefore, the research about solid-liquid phase transition and related properties of metal thin films is of great significance. This program is proposed to experimentally and theoretically study the mechanism of solid-liquid phase transition and optical properties of liquid phase for metal and alloy films. In experiment, several series of nanoscale metal (such as Ga, In etc.) films will be prepared by electron beam evaporation method, etc. The measurements including X-ray diffraction, spectroscopic ellipsometry, etc., will be employed for characterizing and analyzing all the samples. It is expected to obtain the relationship of optical properties with different temperature, alloy composition for solid/liquid metal and alloy films. In theory, a combination of molecular dynamics and the first principle calculation will be applied to calculate the microstructures, electronic states and optical properties for metal and alloy films at different temperature. On basis of the comparison and analysis of experiment and calculation results, the physical mechanism of solid-liquid phase transition and optical properties of liquid metal and alloy films will be understood. The results will provide references for development of some new type optoelectronic devices.

在光电子领域中，金属材料应用非常广泛，例如用于集成电路内部单元间金属互连、软硬盘存储薄膜、激光反射膜等。在金属材料的加工与应用过程中，往往涉及材料固-液相变、高温熔化等过程。有些应用，比如一些柔性电子器件，甚至直接使用液态金属。因此关于金属固-液相变及液态性质方面研究具有重要意义。本项目拟采用实验与理论相结合方式研究金属薄膜及合金膜固-液相变机制与液态光学性质。实验上，采用电子束蒸发等工艺制备系列纳米金属（如Ga、In等）薄膜及合金膜样品，采用X射线衍射、椭圆偏振光谱等技术对样品进行表征与分析，获取固相及液相金属膜及合金膜的光学性质随温度、组分的变化规律；理论上，利用分子动力学方法结合第一性原理计算来获取金属薄膜及合金膜在各温度下的微结构、电子态及光学性质，并将其与实验结果作对比分析，理解金属薄膜固-液相变机理以及光学性质随合金成分与温度变化的物理机制，为柔性光电子器件研发提供科学基础。

金属材料应用非常广泛，例如用于集成电路内部单元间金属互连、软硬盘存储薄膜、激光反射膜等。在金属材料的加工与应用过程中，往往涉及材料固-液相变等过程,有些应用，比如一些柔性电子器件，甚至直接使用液态金属。因此关于金属固-液相变及液态性质方面研究具有重要意义。本项目采用实验与理论相结合方式研究金属薄膜及合金膜固-液相变机制与其光学性质。实验上，采用电子束蒸发等工艺制备系列In、Bi等纳米金属薄膜及合金膜样品，采用X射线衍射、椭圆偏振光谱等技术对样品进行表征与分析，获取固相及液相金属膜及合金膜的物理性质随温度、组分的变化规律；实验发现，在室温~270 ℃范围内，纳米铟颗粒薄膜分别在155 ℃及251 ℃处经历了两次相变，分别对应熔化过程和爆燃过程。理论上，利用分子动力学方法结合第一性原理计算来获取金属薄膜及合金膜在各温度下的微结构、电子态及光学性质，并将其与实验结果作对比分析，理解金属薄膜固-液相变机理以及光学性质随合金成分与温度变化的物理机制，为柔性光电子器件研发提供科学基础。在项目实施期间，项目组成员共在国际核心学术刊物上发表研究论文17篇，其中第一标注13篇，第二标注3篇，第4标注1篇；申请发明专利5项，其中3项已获授权; 发表会议报告19篇，其中6篇为邀请报告；毕业博士生5人，硕士生2人。