稀土掺杂增强亚稳态β-钨薄膜热稳定性能与机理探究

Due to the giant spin Hall effect, thin films of β-tungsten provide very promising spintronic properties and would play a key role in future spintronic magnetic random access memories. As a metastable phase, β-tungsten easily changes to α-tungsten during heat treatment at elevated temperatures. This makes it problematic because memory processing requires a 300-400 ℃ heat treatment several times. In our earlier study, we surprisingly found that yttrium doping was able to enhance the thermal stability of β-tungsten powders upto 950 ℃. Based on this important observation, in current project, rare earth elements will be introduced into β-tungsten films to function as stabilizer. Firstly, first-principle calculation will be utilized to evaluate the doping effects of different rare earth elements in β-tungsten structure. After an optimum candidate is selected, doped β-tungsten films will be fabricated by sputtering technique, whereby the distribution of the impurity atoms in the films will be carefully controlled. This aims to compare the strengthening effects of solute atoms within grains and those at grain boundaries. Finally, the stability mechanism of β-tungsten structure after doping will be discussed. By employing these approaches, it is expected that highly thermally stable β-tungsten films can be developed. The findings also help to comprehend the theories of metastable materials.

β-钨薄膜由于具有强自旋霍尔效应被认为是下一代高能效存储器的核心材料，但β-钨中间隙氧原子在器件高温制备过程中易发生扩散和逃逸，进而诱发向α-钨转变并失去存储特性，因此发展具有高热稳定的β-钨薄膜是实现新一代存储器的关键。我们前期研究发现稀土元素的引入能够抑制β-钨中间隙氧原子的高温扩散，提升β-钨粉体相变温度，据此提出利用稀土元素掺杂来增强β-钨薄膜的高温稳定性。拟首先采用第一性原理计算研究不同稀土元素对β-钨间隙氧结构稳定的影响；再利用磁控溅射技术制备稀土掺杂β-钨薄膜，通过对掺杂元素分布状态的有效调控，解析晶内固溶原子与晶界偏聚原子对β-钨薄膜热稳定性的不同贡献；构建显微结构与宏观热稳定性能间的耦合关系，阐明稀土作用下的β-钨稳定化机制。通过本项目的开展不仅有望获得高温稳定的β-钨薄膜进而推动新一代存储器的发展，而且能够丰富亚稳金属材料的稳定化理论，具有重要的科学意义与实际应用价值。

β-钨薄膜由于具有强自旋霍尔效应被认为是下一代高能效存储器的核心材料，但β-钨在器件高温制备过程中易向α-钨转变并失去存储特性，因此发展具有高热稳定的β-钨薄膜是实现新一代存储器的关键。针对上述问题，本项目从金属材料的微结构出发，采用理论分析、实验研究和计算模拟相结合的方法对β-钨亚稳结构进行了深入解析和有效调控。首先研究揭示了室温磁控溅射钨薄膜的形核、生长与相变过程规律及机制。以经典异质形核理论为指导，计算获得了β-钨和α-钨在SiO2/Si基底表面形核能量变化曲线，从形核功角度证实了β-钨的本征形核优势；阐明了表面能、界面能和应变能对钨薄膜生长取向变化的不同贡献，构建了应变能优化与β-钨[211]织构间的关联；利用原位加热TEM技术探明了β-钨→α-钨转变的扩散型相变类型，确定出纯β-钨薄膜的相变温度区间（150-200℃）。在此基础上，采用异质原子引入来提升β-钨薄膜的热稳定性能，成功获得了相变点温度高于500℃的产物。深入研究非金属原子O和稀土原子Y掺杂对钨薄膜相结构的影响规律，着重阐释了掺杂原子在促进β-钨形核所发挥的重要作用，分析了溶质原子偏聚-组织稳定性-相稳定性间的内在关联，建立了Y-O协同掺杂提升β-钨稳定性的理论模型。研究结果为高性能亚稳难熔金属材料的设计与制备提供科学依据和科学方法。. 本项目研究成果在冶金领域著名期刊JMST、IJRMHM等发表论文9篇，其中SCI收录8篇；申请国家发明专利2项，已授权1项；培养研究生毕业1名，本科生毕业3名。在本项目的支持下，项目负责人晋升副高级职称，入选北京市科协青年人才托举工程，并获第十六届北京青年优秀科技论文奖励。