基于同步辐射掠入射技术的非晶态合金薄膜生长行为和原子结构研究

Recently, ultrastable amorphous thin films, with the unique stability, potential application prospects and some distinctive physical phenomena that cannot be detected in many conventional amorphous materials, have become the hot topic in the research fields of amorphous physics and materials. Two fundamental scientific questions are still unsolved in the field of amorphous alloy thin films, i.e., (1) what is the growth mechanisms of amorphous alloy thin films? (2) what is the intrinsic characteristics of atomic structure in the ultrastable amorphous alloy thin films? In order to address these two questions, in this proposal, we will apply the state-of-the-art synchrotron radiation grazing incidence small-angle X-ray scattering (GISAXS), grazing incidence X-ray diffraction (GIXRD), grazing incidence X-ray absorption fine structure (GIXAFS) and grazing incidence X-ray reflectivity (GIXRR) to systematically study the growth behavior and atomic structure of vapor-deposited amorphous alloy thin films and elucidate the influence of sputtering parameters such as substrate temperature on them, in combination with the advanced theoretical calculation and simulation. Unveiling the intrinsic characteristics of atomic structure in ultrastable amorphous alloy thin films will definitely contribute to the the cognition of ultrastable amorphous materials.

近期，超稳定非晶态薄膜因其独特的稳定性、潜在应用前景以及在许多传统非晶态材料无法观察到的奇特物理现象，成为目前非晶态物理和材料等领域研究和关注的热点。非晶态合金薄膜领域还存在两个基本科学问题：（1）非晶态合金薄膜材料的生长机理是什么？（2）超稳定非晶态合金薄膜的内在原子结构特征是什么？本项目针对这两个两个基本科学问题，拟采用先进同步辐射掠入射小角X射线散射、X射线衍射、X射线吸收精细结构和X射线反射等技术，并结合理论计算模拟方法，系统地研究气相沉积非晶态合金薄膜材料生长行为和原子结构，阐明衬底温度等溅射参数对非晶态合金薄膜生长行为和原子结构的影响规律，揭示超稳定非晶态合金薄膜的原子结构特征，从而促进对于超稳定非晶态材料的认识。

近期，超稳定非晶态薄膜因其独特的稳定性、潜在应用前景以及在许多传统非晶态材料无法观察到的奇特物理现象，成为目前非晶态物理和材料等领域研究和关注的热点。非晶态合金薄膜领域还存在两个基本科学问题：（1）非晶态合金薄膜材料的生长机理是什么？（2）超稳定非晶态合金薄膜的内在原子结构特征是什么？在本项目中，我们使用高真空感应加热浇铸炉制备晶态磁控溅射靶材，采用直流/射频磁控溅射方法成功制备出Fe-Si-B-P-C、Ni-Nb、Zr-Cu-Al-Ti、Co-Ni-V、Co-Ni-V-Al、Fe-Co-Ni-Cr-Mn等非晶态合金薄膜样品，利用同步辐射掠入射X射线技术、扫描电镜、透射电镜、原子力显微镜、纳米压痕仪、超导量子干涉仪、磁光克尔显微镜等，系统地研究气相沉积非晶态合金薄膜材料生长行为和原子结构，阐明基底温度、溅射功率等溅射参数对非晶态合金薄膜生长行为、原子结构和力学性能的影响规律。研究结果表明：典型Fe基和Ni基非晶态合金薄膜均呈现异常粗化的生长模式，薄膜表面生长模式符合奇异标度行为，基底温度的升高不能明显改变非晶态合金薄膜的生长指数，但能增加局域粗化指数和减小临界宽度。同时，非晶态合金薄膜样品的生长模式为典型的柱状生长，柱状结构的界面与内部具有不同的原子结构，低基底温度导致多层级微结构，升高基底温度可增强原子扩散、消除微裂纹、提升稳定性。而且，基底温度升高会导致原子结构出现短程有序度下降，而中程有序度上升。对于玻璃形成能力不高的一些合金体系（Co-Ni-V、Co-Ni-V-Al和Fe-Co-Ni-Cr-Mn），升高基底温度会导致单调的非晶晶化现象，但随着溅射功率的上升，非晶含量会先降低后增加。这是由于吸附原子的扩散以及沉积速率之间的竞争决定最终的相结构以及特征尺寸的演变，其中表面扩散在低功率范围占主导，而沉积速率效应在高功率范围占主导。以上这些研究结果从微观角度为理解非晶态合金薄膜的生长行为和原子结构及其影响因素奠定基础，揭示了稳定非晶态合金薄膜的原子结构特征。