微/纳器件电极材料界面力-电耦合效应的基础研究

在微电子器件及微/纳机电系统的制造和运行中普遍存在界面电接触问题，材料的力学、电学性能在力和电的共同作用下会发生一系列有意义的变化，通过用物理和化学的方法对微电极薄膜材料进行表面改性可以降低界面接触电阻、提高接触可靠性。本项目从力-电多场耦合角度出发，运用纳米力学测试系统及其ECR模块对微电子行业中常用的金、银等金属以及硅基半导体薄膜在力作用下的电接触行为进行理论和实验研究，深入研究力作用下材料力学性质、表面效应、工作环境等对界面电接触、摩擦性能的影响；揭示典型多层电极界面上接触电阻的形成机理；建立界面力－电耦合的理论模型；获得界面电接触性能评价、控制的新方法以及界面电控摩擦理论；探索薄膜材料表面改性方法。研究成果可运用于微纳机电产品的设计制造中，提高产品的使用寿命，此外，该研究可以进一步促进机械、物理、化学、材料、力学等多学科的交叉融合。

微/纳机电系统通常是机与电的集合体，因此微电极、构成微器件的异质多层薄膜之间的电接触行为将影响系统工作的可靠性和寿命。不同于宏观的电接触特性，在微系统中影响电极触头的接触性能因素比较多，双电层效应、表面污染物、表面氧化、表面形貌、表面力、表面摩擦磨损、异质材料等等都会改变其电接触性能，导致器件失效。本项目从力—电多场耦合角度出发，运用分子动力学模拟软件、纳米力学测试系统及其ECR模块对微电子行业中常用的铝、铜、银等金属以及碳基、硅基半导体薄膜在压力作用下的电接触行为进行理论和实验研究，深入研究了材料力学性质、表面效应、工作环境等对界面电接触、摩擦性能的影响；揭示了典型多层电极界面上接触电阻的形成机理；建立了界面力－电耦合的理论模型；获得了界面电接触性能评价、控制的新方法；探索了界面电控摩擦理论及薄膜材料表面改性方法。. 首先，基于泛函密度理论（DFT），以单壁碳纳米管为研究对象，研究了电场下无缺陷碳纳米管和碳纳米管分子结的力－电耦合性能，总结了不同强度的电场下其相关力学、电学性能参数的变化规律。建立了金属-半导体接触界面的数学模型，采用分子动力学对金属－半导体纳米管分子结在电场下的力－电耦合行为进行研究，以纳米间距的Cu/Si、Cu/Al纳米薄膜为研究对象，模拟研究了Cu薄膜不断靠近Si、Al薄膜的动力学过程，探讨间距、速度、温度和表面形貌对薄膜间相互作用的影响，获得了电子结构与电场强度之间的内在联系。采用有限元模拟软件研究了两端固支梁、悬臂梁两种纳米梁模型在静电力与短程范德华力耦合状态下与基体吸合过程的静态粘附、动态、瞬态过程，获得了梁在不同弯曲变形率下范德华力与静电力之间的耦合作用规律。. 其次，实验制备了GeSbTe相变薄膜、聚吡咯薄膜、氢化纳米硅薄膜、铝等导电材料，利用纳米力学测试系统对其电接触行为进行了研究，重点讨论了不同电压值、不同载荷作用下导电探针与薄膜之间的力-电耦合行为，揭示了几种电接触材料的力-电耦合作用规律，结果表明，在电压、力载荷作用下材料的力学性能与电学性能会发生显著变化，材料均匀性及结构特征影响材料的导电性能。运用石墨烯枝接硅烷偶联剂对金属电极铝表面进行电化学改性，有效改善了材料在载流作用下的摩擦学性能及耐腐蚀性能。本项目的研究结论可为微纳器件与系统中电极材料的设计与应用提供理论参考。