低熔点金属及合金薄膜液态光学性质的实验和理论研究

Metal thin films are extensively used in the field of information technology, such as conductive films, information storage films, etc. With size decreasing of devices, the melting points of metal thin films may decrease, and it leads to the melting or liquefaction of metal films in the devices. However, the research on the optical properties of films of liquid metals and alloys is still very limited, so it is important to carry out the study focusing on the microstructure, optical properties of liquid metals and the mechanism of the solid / liquid phase change process. The project under application aims at discovering the relations between the optical properties of liquid metals and the microstructures existing in the liquid metals or alloys. The samples of metal or alloy films will be prepared by using electron beam evaporation or ion beam sputtering process. All samples will be further characterized by X-ray diffraction, and atomic force microscopy method. The spectra of optical constants of all samples will be obtained by using spectroscopic ellipsometry. The first principle calculation will be applied to study the optical properties and the solid/liquid phase change characteristics and physical mechanism. The results of this study will form a basement and be a referenc for further study for metals of high melting points.

金属薄膜在信息领域中应用广泛，如用作导电膜、存储膜等，随着器件尺度减小，金属的熔点下降，当器件在一些高温环境应用时，金属薄膜将熔融甚至液化，但目前关于金属薄膜液态性质的研究仍很有限，因此研究有关液态金属及合金材料的微观结构、光学性质，以及固/液相变化过程的规律具有科学意义和应用价值。本项目拟通过采用电子束蒸发等工艺，在真空条件下制备系列低熔点金属（如Sn、In）膜及其合金膜样品；采用X-射线衍射、原子力显微镜等方法表征所制备的金属膜及合金膜的物理性质及结构特性；采用变温椭圆偏振光谱技术获取固相及液相金属膜及合金膜的光学常数谱；并结合第一性原理计算来研究低熔点金属Sn、In等及其合金的液态光学性质以及固/液相变特性和物理机制，通过对这些较低熔点的金属及合金的研究，探索液态金属的光学性质及相变特性，为进一步研究其它高熔点金属的液态光学性质提供具有参考价值的技术方法和理论模型。

金属薄膜应用非常广泛，但目前关于金属薄膜液态性质的研究仍很有限，因此研究有关液态金属及合金材料的固/液相变化过程的规律及液态光学性质具有科学意义和应用价值。本项目利用电子束双源共蒸发方法制备铟、锡、铋及其合金薄膜样品，用X射线衍射（XRD）技术和原子力显微镜（AFM）对所有样品进行表征。采用椭偏光谱仪获取不同温度下薄膜样品的光学常数谱。通过基于第一性原理的密度泛函理论，计算得到材料的能带结构及光学性质。主要内容分包括：1）研究了锡合金薄膜样品在可见光区的光学性质随组分变化规律。从光学常数的变化可以清楚看出随组分发生的固-固相变，而这种相变源于特定的微结构变化。由于纳米多晶颗粒薄膜晶格常数不同于体材料，使其相图不同于体材料。通过基于第一性原理的密度泛函理论，计算得到了4种不同组分材料的能带结构，从电子能带结构的变化研究了合金效应。2）研究了不同颗粒尺寸铟颗粒薄膜固/液相变过程及液态光学性质。发现颗粒在42.4 nm和 44.9 nm之间存在临界尺寸，当颗粒尺寸大于临界尺寸时，颗粒具有确定的熔点，其值几乎与体材料的相同。而当颗粒尺寸小于临界尺寸时，并不存在确定的熔点，定义膝盖点为平均熔点,其平均熔点表现出尺寸的依赖性，随着颗粒尺寸变小而降低，其机制可用液体表层熔化模型解释。3）研究了铋（Bi）薄膜的光学性质从固态到液态的演化。椭偏光谱研究结果发现铋薄膜的固液相转变温度在262°C，表明Bi膜在270°C时呈现液相。在光学性能方面，Bi膜固液相差异明显。固相Bi膜，存在丰富的带间跃迁，并且自由电子的密度低。液相Bi膜的光学性质主要依赖于自由电子而不是束缚电荷的偶极振荡，并表现出类似金属的行为。通过对这些较低熔点的金属及合金的研究，探索液态金属的光学性质及相变特性，为进一步研究其它高熔点金属的液态光学性质提供具有参考价值的技术方法和理论模型。同时本工作还表明椭圆偏振光谱是表征纳米级金属颗粒及薄膜熔点光学性质及固液相变的一种有效方法。