低能量激光诱发多层纳米膜自蔓延反应的放热控制机制

纳米单元操控难且热稳定性差，因此传统焊接技术难以实现纳米单元或器件的批量连接。本申请探索以双金属多层纳米膜作为纳米尺度连接的预置热源，通过低能量激光脉冲精确诱发瞬时局域自蔓延可控放热反应的基本原理，以求解决实现纳米单元制造和连接的集成之关键问题。具体研究内容为：双金属多层纳米膜调制结构对激光诱发行为的影响；纳米膜材料性质及表面态对激光诱发行为的影响；激光特性与多层纳米膜自蔓延反应诱发效果之间的关系；自蔓延放热行为与多层纳米膜宏微观结构之间的关系。研究结果将有助于实现多层纳米膜的低能量诱发和可控放热。

受诱发的纳米多层膜自蔓延反应具有在极短时间内释放大量能量，瞬间集中加热局部微小区域的优点，是极具潜力的面向纳米单元连接的加热源。利用多层纳米膜自蔓延反应实现纳米单元连接，其关键是减少纳米单元的破坏、精确控制反应放热过程。本项目通过磁控溅射法并借助有机高分子牺牲层和衬底表面氧化层，制备了具有不同调制结构的自支撑和衬底多层膜。采用透射电子显微镜和扫描电子显微镜观察了多层膜结构，经脉冲激光诱发了多层膜的自蔓延反应，得到了临界诱发能量密度，最终确定了衬底结构和调制结构对激光诱发自蔓延行为影响。利用高速摄影法表征了自蔓延速度，由差热分析仪和X射线衍射仪分析了反应过程及产物演变，用有限元模拟的方法对自蔓延反应过程中温度的动态变化进行了分析。结果表明，刚制备的多层膜层间结构非常清晰，且层间没有明显的固相反应，但随时间增加层间预互溶区逐渐变厚。多层膜激光诱发临界能量密度高于烧蚀临界能量密度。调制周期或周期数较小的多层膜激光诱发所需的能量密度较小且自蔓延速度较高。但当调制周期接近或小于层间原子互溶区厚度的时候，临界能量密度和自蔓延速度的变化则有相反趋势。对于衬底多层膜，衬底表面氧化物厚度是一个最为关键的结构参数，当此厚度较小时多层膜很难被诱发。当其它参数一定时，自蔓延速度随诱发能量、调制周期数以及衬底表面氧化物厚度增大而增大；而随调制周期和预互溶区增大而减小。随诱发加热速率提高，自蔓延反应过程中出现的放热峰越明显。对于一定厚度的多层膜，具有大调制周期和小周期数的调制结构对应的放热量大。随激光脉冲持续时间的增加，多层膜的激光临界诱发能量密度呈现递减趋势，但最终会趋于稳定。激光诱发多层膜自蔓延反应基本生成单一的金属间化合物。在衬底多层膜自蔓延反应过程中，由于衬底表面氧化物的热阻效应，热量主要集中在多层膜和表面氧化层，薄膜到衬底具有很高的温度梯度，反应的热影响区域小，可减少对热敏感器件的损伤。