肖特基结构Al/CuO复合薄膜的非线性电爆换能机理

Al/CuO multilayer films are composed of alternately deposited Al and CuO films, which can maintain oxidation-reduction reaction under specific conditions. During previous investigation, it is found that threshold of electrical stimulation exists for Schottky Barrier structured Al/CuO multilayer films, and the reasons can be related to the series surface contact Schottky junctions formed between individual Al and CuO films. Once initiated by electrical stimulation, Al/CuO multilayer films explode, which releases not only Joule heat, but also chemical reaction heat between CuO and Al, resulting in the generation of high temperature plasma. This project is to investigate the influence of Al/CuO multilayer films' parameters on breakdown voltage of Schottky junctions, including area, thickness, modulation period and modulation ratio, and then electrical breakdown mathematical models will be established for general applications. Subsequently, temperature diagnosis system based on infrared and spectrum measurement, respectively, will be used to reveal the nonlinear energy conversion mechanisms of electrical explosion of Schottky Barrier structured Al/CuO multilayer films. This project will provide a new idea for nonlinear energy conversion of electrical explosion, moreover, it will enrich and perfect the content and essence of novel metallic functional materials.

Al/CuO复合薄膜是一种具有氧化还原反应性能的薄膜材料，由多层Al薄膜和多层CuO薄膜相互叠加而成。前期研究发现肖特基结构的Al/CuO复合薄膜在电爆过程中存在发火能量阈值，具有非线性换能的特点。分析认为其原因是在每一层Al膜和CuO膜的接触界面均形成了面接触肖特基结。在电激励能量大于发火阈值时，Al/CuO复合薄膜发生电爆炸反应，不仅产生焦耳热，还可以激发Al膜和CuO膜之间的氧化还原反应，释放出反应热，使反应生成物形成高温等离子体。本课题以此实验现象为切入点，研究Al/CuO复合薄膜的面积、厚度、调制周期和调制比等参数与其串联面接触肖特基结击穿电压之间的关系，建立具有普适性的电击穿数学模型。在此基础上，联合使用红外测温和光谱测温技术，揭示肖特基结构Al/CuO复合薄膜材料的非线性电爆换能机理。本项目为非线性电爆换能提供了全新的思路，研究成果也将丰富和完善新型金属功能材料的内容和内涵。

Al/CuO复合薄膜是一种薄膜结构形式的铝热剂，在电能激发下，Al薄膜和CuO薄膜可以发生氧化还原反应释放出反应热。根据固体电子学理论，Al薄膜和CuO薄膜由于功函数不同，在它们的接触界面会形成面接触肖特基结（Schottky junction），从而使Al/CuO复合薄膜在电激发时存在临界击穿电压。本项目依托Al/CuO复合薄膜的这两个显著特点，研究其非线性电爆换能特性，主要研究内容及结论如下：.（1）使用磁控溅射和微细加工技术制备了CuO薄膜，并对薄膜的半导体特性、微观结构和化学成分等进行表征，确定CuO薄膜是P型半导体薄膜材料。.（2）设计了三种形式的肖特基结（Schottky junction）Al/CuO复合薄膜换能元，分别简写为S-Al/CuO-Ι、S-Al/CuO-II和S-Al/CuO-III。通过对换能元的肖特基结击穿电压、安全性、电爆等离子体温度和电爆换能规律研究发现，三种换能元的共性在于：① 换能元的击穿电压与肖特基结串联个数、接触面积无关，只与形成肖特基结的材料性质有关；②换能元的发火阈值、能量利用率、等离子体升温时间、等离子体持续时间均与肖特基结串联个数呈正相关。.（3）S-Al/CuO-Ι换能元具有可以多次发火的特性，将可以显著提高火工品换能元对强电磁干扰的耐受性。S-Al/CuO-III换能元可通过1A/1W/5min不发火要求，安全性较好。.（4）将Al/CuO含能复合薄膜集成到半导体桥（semiconductor bridge，SCB）上，制备了SCB-Al/CuO非线性电爆换能元。换能元可防射频、防静电、满足1A/1W/5min不发火要求。Al/CuO含能复合薄膜的放热反应提高了输出能量，SCB-Al/CuO的输出能量效率、等离子体温度、火焰高度和燃烧区域均高于SCB。.（5）建立了Al/CuO复合薄膜的温度分布模型和自蔓燃烧反应模型，得出了含能SCB发火时间和发火电压的理论表达式。.本项目的研究结果表明Al/CuO复合薄膜作为一种新型的含能功能材料，在火工品换能元方面具有较好的应用前景，后期应进一步优化Al/CuO复合薄膜换能元设计，重点研究Al/CuO复合薄膜换能元对含能材料点火与起爆的实际作用。.