金属晶须自发生长机理及其在微电子与新材料领域的应用基础研究

The problems originated from the spontaneous growth of metal whiskers have haunted the industries like microelectronics for over 70 years, and an acceptable solution is still lacking. We have established an “interfacial catalysis” model in previous research to understand the nucleation of such metal whiskers. Based on this model, we succeeded in preparing metal whiskers in quantity. In this proposed research program, materials such as pure metals, alloys, intermetallics and MAX phases will be studied systematically in order to clarify the mechanism for metal whisker nucleation and the mass transport, by unveiling the the effects of the factors such as composition, phase, interface, temperature, pressure, atmosphere and electrical field on the spontaneous growth of metal whiskers. On the basis of such basic mechanisms, the effects of alloy elements on the Sn whisker growth, either mitigating or promoting, will be revealed experimentally. With the mitigating mechanisms, non-Pb strategies for Sn whisker mitigation with alloying route or with the non-metallic nano structure route will be developed, with comparable efficiency to Pb strategy. With the promoting mechanism, on the other hand, multiple systems for metal whisker growth will be developed, and such grown metal whiskers will be further oxidated or nitrided to obtain their derivative one-dimensional materials. The mechanical, thermal, electrical, optical properties of such prepared one dimensional materials will be investigated; particularly the fundamental properties of Sn whisker for the application to electrode materials in Li-ion batteries will be elucidated. The achievements of this proposed research program will benefit the green manufacturing of the microelectronics integration, and extrapolate the application of one-dimensional materials to the field of energy storage and gas sensors, by paving the theoretical and technological grounds.

困扰微电子等行业70多年的金属晶须自发生长问题一直没有得到根本解决。申请人在前期研究中提出了“界面催化”的晶须形核机制，并以此为依据开发了金属晶须的大量制备方法。本项目将系统地研究纯金属、合金、金属间化合物、MAX相等材料体系中，金属晶须的形核与传质机制，厘清成分、相、界面、温度、压力、气氛、电场等因素对晶须自发生长的影响机制。在此基础上研究合金元素对Sn晶须的抑制机制及促进机制。利用抑制机制开发非铅合金元素以及纳米结构非金属抑制策略，最终开发可以匹敌铅合金元素的无铅化抑制方案；利用促进机制，探索更多的晶须自发生长体系，并进一步对金属晶须进行氧化、氮化处理得到其衍生物。最后，探明金属晶须及其衍生一维材料的力、热、电、光等基本性能，特别是Sn晶须等作为锂离子电池电极材料的应用基础。本项目的成果将为促进电子系统绿色、可靠互联，拓展金属及其化合物晶须在储能、传感等领域的应用提供理论与技术基础。

在金属、金属间化合物以及MAX相陶瓷等基体表面存在金属晶须自发生长现象，锡基焊料表面的锡晶须自发生长现象长期以来一直困扰微电子等行业。晶须生长的重复性差、影响因素众多，从而导致相关研究工作困难重重。MAX相表面A位金属晶须自发生长具有重复性好、生长速度快等优势，本项目以此为突破口，围绕任务书的内容，研究成果主要包括四个部分。第一，利用锡同位素示踪技术厘清了金属晶须生长的原子来源问题。通过分析晶须与基体的界面的微观结构特征，明确了晶须与基体的晶体学位向关系。利用MAX相表面晶须快速生长的特征，实现了晶须生长的原位观察，结合对晶体表面能的计算研究，从而解开了晶须表面相貌演变之谜；第二，通过第一性原理计算以及正电子湮灭技术，研究了晶须生长的动力学问题，为开发晶须抑制策略奠定了基础；第三，明确了影响晶须生长的主要因素，从而开发了一种宏量制备金属晶须的新策略，因为MAX相成分多样性，这一研究结果有望成为一种通用的金属晶须（一维材料）制备新方法；同时，利用MAX相晶须的结构与价键特征，开发了同时制备金属晶须与纳米碳化物的新策略；第四，探索了金属晶须及其氧化物以及MAX相衍生物的功能应用。锡晶须已在电磁波吸收等方面表现出应用潜力，尤其是锡晶须及其衍生氧化物（Sn-SnOx）表现出更强的界面极化效应，综合吸波性能更优，有望应用于国防领域。MAX相衍生二维材料MXene在储能等领域的应用研究取得了特色进展，尤其是作为锂硫电池的电极材料，表现出巨大潜力。本项目实现了预期成果，包括高水平研究论文52篇，申请专利12项，培养博士生12名，培养硕士生16名，培养青年教师4名。通过本项目的开展，本可课题组形成了该领域内稳定的科学研究队伍，在金属晶须生长机制、抑制策略以及一维材料制备新方法等领域得到了国际关注。