Ti2SnC表面Sn晶须自发生长机理的第一性原理和实验研究

The spontaneous growth of Sn whiskers has been plaguing the micro-electronics and causing serious accidents, however, after 70 years’ research the mechanism at atomic scale is still blank nowadays. According to our previous research work, the growth behaviors of Sn whiskers in the Ti2SnC ceramics are found to be rapid and repeatable, which provides a new platform for the study of whiskers. This project aims at revealing the growth mechanisms of Sn whiskers with respect to atomic behaviors, by studying the mass transfer process using the First-Principles calculation method. Firstly, simulate the interaction between Ti2SnC substrate and different elements, calculate the formation energy as well as the diffusion active energy of defects, compute the vibrational behaviors and interface, in order to predict the growth behaviors of Sn whiskers, including position, speed and the crystallographic relation with substrate. Afterwards, fabricate the Ti2SnC/A composites on the basis of simulation results, then characterize the growth features and microstructure of Sn whiskers, as well as the interface with Ti2SnC substrate. Finally, reveal the elemental source and driving force of Sn whiskers combining the theoretical and experimental results, in order to illustrate the physical nature of this phenomenon. The present work will provide theoretic guides for the controllable growth and effective mitigation of whiskers.

锡晶须的自发生长现象长期困扰着微电子等领域并造成诸多事故，其原子层面的机理在70多年后的今天依然是空白。课题组前期研究发现，Ti2SnC陶瓷中Sn晶须的生长速度快，试验重复性好，为研究Sn晶须自发生长机理提供了新的平台。本项目拟采用第一性原理计算的方法，研究Sn晶须生长过程中的物质迁移，从原子角度揭示Sn晶须自发生长机制。首先，模拟Ti2SnC基体与不同元素的交互作用，并计算体系中缺陷的形成能和扩散激活能，结合晶格振动以及界面匹配的模拟结果，预测Sn晶须生长的倾向、速度及其与基体的晶体学关系。其次，参照理论预测体系，通过热压反应烧结制备Ti2SnC/A元素复合材料，研究晶须的生长行为，分析晶须与基体的微观组织。最后，对照计算与实验结果，通过缺陷形成与扩散机理来阐明Sn晶须生长的元素来源与驱动力问题，揭示晶须自发生长现象的物理学本质。研究成果将为实现晶须的可控或有效抑制生长提供理论指导。

本项目针对MAX相陶瓷中金属A晶须自发生长的现象开展了系统研究。结合理论模拟、材料设计和组织表征等研究手段，立足晶须生长过程中原子运动的物理学本质，从晶须元素来源、晶须生长动力和晶须形貌特征几个角度阐明晶须生长机理：(1) 稳定同位素示踪实验表明Ti2SnC相表面自发生长的金属Sn晶须由基体Ti2SnC和自由Sn共同贡献元素来源，自由Sn通过Ti2SnC相的层间Sn原子通道扩散实现晶须生长的物质迁移；(2) 互固溶实验表明自由Sn与Ti2SnC的交互作用是实现晶须生长的必要条件，自由Sn置换晶格Sn并最终在表面富集形成Sn晶须是自由能降低的过程；(3) 气氛培养实验表明Sn晶核是决定Sn晶须表面形貌的重要因素，在空气中Sn晶须表面形成的SnO2氧化膜可以抑制Sn原子的横向扩散从而形成典型的晶须纵向条纹；(4) 正电子湮灭实验表明与热平衡缺陷相关的活性Sn原子运动是Sn晶须生长现象的内因，而材料组织（晶粒形貌、晶粒尺寸）和实验参数（球磨、温湿度、应力状态）等外因则通过影响活性Sn原子的运动从而改变晶须的生长行为。基于以上研究结论，本项目提出“活性Sn原子可动性理论”来描述MAX相中金属A晶须的生长机理：点缺陷的形成通过熵增实现体系自由能下降，产生的活性Sn原子扩散至表面形成晶须则可以进一步降低体系自由能，其可动性由活性Sn原子的晶格脱嵌能力和晶格扩散阻力决定。由于锡金属中的晶须生长本质也是原子的运动，因此本项目的研究结论有助于理解锡金属中的晶须生长机理。项目负责人后续将立足本项目提出的“活性Sn原子可动性理论”，继续开展锡金属体系中的晶须生长机理研究，探索合金化和添加相调控活性Sn原子可动性从而实现晶须生长抑制，开发替代铅合金化的绿色晶须抑制策略，助力我国集成电路产业的健康、可靠发展。