Acta Mater.：沉積在藍寶石表面的多晶Mo薄膜的固態除濕

【引言】

沉積在非潤濕惰性基材上的金屬薄膜在低于熔點的高溫下會發生凝聚。膜凝聚的過程，也稱為固態除濕，其驅動力為系統的總表面能和界面能的減少，而其動力學由金屬表面的自擴散所控制。固態除濕起始于膜中通孔的成核，并通過三相結（蒸氣／基底／薄膜）的運動而長大。由孔排出的材料通常在其邊緣處累積，在除濕的中間階段形成網狀或分支結構。金屬膜凝聚可用于制造微顆粒、納米顆粒陣列，應用于碳納米管和半導體納米線的催化生長、感測、等離子體激光和其它光學應用。在中間階段形成的復雜互連的網狀金屬結構可用作燃料電池的電極。然而，實際上除濕過程仍然不能完全控制。

【成果簡介】

近日，以色列理工學院的E. Rabkin在Acta Mater.上發表了題為“Solid state dewetting of polycrystalline Mo film on sapphire ”的文章。這篇文章中研究了沉積在藍寶石基底上的Mo薄膜的固態除濕動力學。該過程的動力學可由具有兩個不同指數的Johnson-Mehl-Avrami-Kolmogorov方程描述，表明在長時間退火過程中孔成核速率降低。研究人員將這種降低與晶界和三相結的作用以及退火過程中晶粒的生長聯系起來。每個膨脹孔部分被異常大的顆粒包圍，其余部分則與原始厚度的未受干擾的膜相接。孔的膨脹主要發生在平膜的方向上。研究人員基于在異常晶粒方向上的表面擴散制定了孔膨脹的動力學模型。

【圖文導讀】

圖一：同一區域不同熱處理時間的AFM顯微照片

(a-h) 熱處理15min(a)、30min(b)、45min(c)、60min(d)、120min(e)、180min(f)、240min(g)和300min(h)后的同一區域的AFM顯微照片（尺寸為15×15μm²）。

圖二：Mo膜的SEM顯微照片

(a) 沉積的Mo膜的SEM顯微照片。

(b) 在940℃退火60分鐘的Mo膜的SEM顯微照片。

圖三：各實驗參數隨退火時間的變化趨勢

(a) 兩個研究區域的膜中孔數與退火時間的函數關系。

(b) 四個代表性孔的面積與退火時間的函數關系。虛線連接平均值。

(c) 兩個研究區域的基底面積與退火時間的函數關系。

(d) 膜中的平均粒徑與退火時間的函數關系（不包括位于孔緣的顆粒）。

圖四：沉積（a-c）和部分團聚（d-f）膜的EBSD圖

(a、d) 圖片質量。

(b、e) 正方向的EBSD圖。

(c、f) 滾動方向的EBSD圖。

(h、i) 沉積和部分凝聚的薄膜的{110}極數。

圖五：沉積（a-c）和部分團聚（d-f）膜的EBSD圖

(a) 在1380℃退火24小時后形成的Mo顆粒的HR-SEM顯微照片。

(b) 薄膜（藍色）和顆粒（紅色）的θ-2θXRD圖案。

(c) （110）Mo反射的平面PF。

(d) 完全凝聚樣品的極角60°處的相應方位強度分布。

【小結】

在這篇文章中，作者提出了一種基于沿著異常長大的晶粒方向的表面擴散的空穴生長的動力學模型。該模型描述了在長時間退火條件下除濕通道的穩態增長，符合Jiran和Thompson的模型。作者將孔中的異常晶粒的橫向生長與表面擴散通量的幾何形狀、以及孔中排出的充當吸收材料的晶粒相關聯。最后，作者強調，在藍寶石上的Mo的固態除濕與FCC晶體的多晶薄膜的除濕有許多相似之處。

文獻鏈接：Solid state dewetting of polycrystalline Mo film on sapphire（Acta Mater.2017，DOI: 10.1016/j.actamat.2017.07.057）

本文由材料人編輯部計算材料組daoke供稿，材料牛整理編輯。

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