论文部分内容阅读
AlN因其具备抗腐蚀,耐高温和优异的传热性,高电阻率、低介电常数、低介电损耗等特性,所以AlN陶瓷是目前研究最为广泛的高性能陶瓷基板和封装材料。而且,Al作为是最重要工程材料之一,由于具有轻质高强、高导热、高导电在电子封装材料领域同样有着广泛的应用。其中,AlN/Al界面结构和特性关系到封装材料的服役性能和使用寿命,一直都发挥着至关重要的作用。因此AlN/Al界面作为一种典型的陶瓷/金属异质界面,在结构与性能方面都得到了大量的研究。目前,研究人员对AlN/Al界面的研究结果存在较大的差异性,例如没有明确的界面结构,并且缺乏对界面结构和界面强度进行相互联系的系统研究。采用实验观测存在一定的局限性,对于AlN/Al界面形成过程中原子行为的研究同样鲜有报道。由于AlN/Al界面区域仅有几个原子层厚度,界面处原子吸附、迁移、形核和生长是影响界面结构和性能的最重要因素,研究其界面处原子行为是了解AlN/Al界面形成过程的关键。本文采用基于密度泛函理论的第一原理计算方法,从原子尺度上研究了 Al、N原子在AlN表面Al-Ter和N-Ter上的吸附和脱附等行为,确定最稳定的AlN终端结构;进而分析了 AlN表面Al原子岛的形成和演变过程,分析AlN/Al形成的稳定界面;最后研究了 AlN/Al稳定界面的力学性能。研究结果为揭示AlN/Al界面的形成机理提供了重要的理论参考,也为获取高强度的AlN/Al界面提供理论研究依据。主要研究结果如下:(1)明确了AlN(0001)表面稳定的终端结构。Al-Ter和N-Ter的表面能之间没有明显的差异;从吸附性能上,Al-Ter和N-Ter都具有较强异质原子的吸附能力,但Al-Ter对同类原子的吸附较N-Ter更强。而且在AlN表面蒸发中发现,表面N原子蒸发后易于周围N原子结合成N2逃逸出表面,从而造成了N-Ter的不稳定。在高温下,表面N原子逃逸后,AlN表面重构成(?)R30°结构,重构后表层的Al原子排列顺序与第三层原子排列顺序相同,形成类Hcp结构;并且计算还表明,重构的转变势垒为3.2eV。所以,Al-Ter更适合做AlN的终端结构。(2)获得了Al原子在AlN表面形成原子岛的演变过程。在AlN表面上,单Al原子最稳定吸附位置是Hcp位;双Al原子吸附时,系统最低能量位置是Hcp位置和其邻近的Fcc位置;三个Al原子吸附时,由原来的Fcc+Hcp位置全部转变为Hcp位置;随着吸附原子数目的不断增多,Al原子岛在Al-Ter表面形成的结构也在发生转变;当铺满一层Al原子后,Fcc位置为最稳定的吸附结构,而且通过计算得出吸附结构转变的激活能为1.4leV;在吸附第二层和第三层Al原子时Al原子岛的演变过程都与表面吸附情况类似。因此,当Al原子层继续堆垛成周期排列时,其排列形式为ABC结构,形成连续Fcc排列的AlN/Al界面结构。(3)最后在获取AlN/Al界面结构基础上,进而分析了 AlN/Al界面结构力学性能。通过计算AlN/Al界面结构的弹性常数得出结果与晶体Al相近,弹性模量值介于Al与AlN晶体之间;进而研究界面处的理想拉伸强度发现AlN/Al界面应变在0至0.012之前材料处于弹性变形阶段,此时应力应变呈现线性关系,应力随着应变的增加而增加。当应变大于0.012时随着应变的增加原子间距增加,应力急剧下降,此时AlN/Al界面处存在的键被拉断。所以最后得出AlN/Al界面的拉伸强度为530MPa。