受诱发的自蔓延反应在极短时间内释放大量能量, 可以瞬间集中加热局部微小区域, 这不仅是极具潜力的高温化合物合成手段[1 -5 ] , 而且可作为一种焊接方法或焊接热源[6 ,7 ] . 除了传统的金属-金属、金属-金属氧化物等混合粉末自蔓延反应体系以外, Ti/Al等物理气相沉积多层膜也能发生自蔓延放热反应[8 -13 ] . 这种多层膜具有2种纳米薄膜材料循环交叠形成的调制结构, 其自蔓延反应始于2种材料薄膜的界面处. 与混合粉末相比, 在反应过程中纳米多层膜的原子扩散距离减少了几十甚至几百倍, 能达到较充分的原子互溶. 而且, 高真空溅射沉积多层膜具有紧密接触的层间界面, 基本排除了杂质和孔洞对反应的影响[14 ] , 因此, 多层纳米膜结构能够获得更高的反应速度和反应温度[15 ] . 另外, 多层膜能够以设计好的形状直接沉积在所需的位置, 特别适合作为面向精密局域连接的植入型原位热源. 利用多层膜自蔓延反应实现局域精密连接, 其关键是精确诱发和控制反应放热过程以减少对待连接单元的破坏.
常见的自蔓延反应诱发方式有机械研磨、电火花、加电压、局部加热等. 其中聚焦的激光束可以精确控制能量输入和诱发位置[16 ] , 因此, 它可以精确诱发多层纳米膜的自蔓延反应并减少对周边的热损伤[17 ,18 ] . 而且, 在精密热加工领域, 特别是在微电子制造领域, 可以借助集成电路制造工艺流程中的曝光技术, 一次诱发晶圆不同区域的多层纳米膜的自蔓延反应, 从而获得批量植入型精密热源.
目前, 对于Ti/Al混合粉末自蔓延反应, 其自蔓延反应机理已基本清楚, 并成功应用到高温合金及化合物制备、陶瓷焊接等领域. 但对于Ti/Al多层膜自蔓延反应, 研究基本局限在其在材料制备[19 ] 和焊接[20 ] 方面的应用, 以及反应产物生成机制[11 ,12 ] 上. 但是, 关于它的精确诱发, 特别是关于多层膜结构对其自蔓延行为影响的研究还不够深入. 而且, 研究使用的多层膜都带有衬底[11 -13 ] , 而衬底会影响多层膜的诱发自蔓延行为, 因此难以准确刻画多层膜本身的诱发和自蔓延行为.
本工作利用磁控溅射法和牺牲层技术制备了具有不同调制结构的无衬底自支撑Ti/Al纳米多层膜, 比较了不同诱发条件下Ti/Al纳米多层膜自蔓延反应产物, 分析了调制周期和周期数对Ti/Al纳米多层膜自蔓延行为的影响, 进一步讨论了激光脉宽对Ti/Al纳米多层膜临界诱发能量密度的影响.
1 实验方法
溅射薄膜衬底采用具有(100)表面的p型单晶Si. 选择聚甲基丙烯酸甲酯(polymethylmethacrylate, 简记为PMMA)为牺牲层材料. PMMA的溶剂采用氯仿, 腐蚀剂采用丙酮. 所有化学试剂纯度均为分析纯级别.
以PMMA为牺牲层, 制备自支撑Ti/Al纳米多层膜. 首先, 利用溶胶凝胶法,在单晶Si衬底上旋涂一层PMMA溶胶薄膜并干燥. 然后, 采用PRO 500S-SP磁控溅射仪在平整干燥的PMMA薄膜上交替沉积Al和Ti. 最后将样品置于丙酮液体中, 溶解PMMA牺牲层, 得到自支撑Ti/Al纳米多层膜. 由于Ti和Al的摩尔体积(分别为10.64和10.00 cm3 /mol)非常接近, 为了得到Ti和Al原子数目基本相等的多层膜, 只需通过调整溅射工艺, 确保每个Al层和Ti层的厚度基本相等即可. 单层Al和单层Ti构成多层膜的调制周期, 调制周期乘以周期数等于多层膜厚度. 制备周期数为40且调制周期不同(分别为20, 40, 80, 120和160 nm)的多层膜以考察调制周期对临界诱发能量密度和自蔓延速度的影响. 另外, 制备调制周期为80 nm且周期数不同(分别为20, 40, 60, 80和100)的多层膜以考察调制数对临界诱发能量密度和自蔓延速度的影响.
将得到的自支撑纳米多层膜平铺并固定在绝热棉上, 并把HL506PYAG激光器产生的方波脉冲激光(波长为1064 nm)聚焦在纳米多层膜表面, 由此在室温大气环境下诱发纳米多层膜的自蔓延反应. 脉冲持续时间设为0.4 ms, Gauss分布激光斑点直径为1.0 mm. 改变方波脉冲激光的峰值功率, 若自蔓延反应发生, 在激光辐照瞬间可观察到纳米多层膜迅速燃烧并放出耀眼的浅红色光芒. 利用二分法逐渐缩小激光临界诱发功率范围, 最后可确定Ti/Al纳米多层膜临界诱发能量.
自蔓延反应速度用高速摄影方法确定. 利用脉冲宽度为700 ms, 脉冲能量为5.6 J的方波脉冲激光辐照纳米多层膜表面, 同时用高速摄影拍摄纳米多层膜(3 mm×10 mm)的自蔓延燃烧过程, 然后通过图像处理判别不同时刻自蔓延燃烧波前端的行进位置, 最终获得纳米多层膜的自蔓延速度. 通过聚焦离子束切割纳米多层膜, 获得平整干净的截面, 利用Tecnai G2 F30透射电镜(TEM)观察截面微观结构. 利用Quanta 200F场发射扫描电镜(SEM)观察反应后的纳米多层膜表面形貌. 利用D/max-RB旋转阳极X射线衍射仪(XRD)确定纳米多层膜自蔓延反应生成相. 采用STA449C综合热分析仪进行缓慢加热条件下样品自蔓延反应的差热分析(DSC)实验, 加热温度范围为从室温至800 ℃, 升温速率为10 ℃/min. 为防止样品表面氧化, 在DSC实验中采用Ar保护, 保护气流量为45 mL/min.
2 实验结果及讨论
2.1 Ti/Al纳米多层膜结构及自蔓延燃烧过程
图1显示了得到的典型Ti/Al纳米多层膜截面微观结构. 可以看出, 纳米多层膜结构致密无孔洞, 如图1a所示. 另外, 纳米多层膜层间界面平坦清晰, 每层厚度均匀, 如图1b所示.
图1 Ti/Al多层膜截面微观结构
Fig.1 SEM (a) and TEM (b) images of cross-sectional microstructures of Ti/Al multilayer films (PMMA—polymethylmethacrylate)
图2为Ti/Al纳米多层膜激光诱发自蔓延过程高速摄影截图. 诱发位置在纳米多层膜的左端部. 在激光聚焦照射诱发位置(图2a), 迅速诱发了纳米多层膜自蔓延燃烧反应(图2b), 随后自蔓延燃烧波快速向右传播(图2c和d). 自蔓延过程始终伴随着肉眼可见的燃烧火焰.
图2 激光诱发Ti/Al多层膜自蔓延燃烧过程高速摄影截图
Fig.2 High-speed photographies of the self-propagating behavior of a Ti/Al multilayer filmas ignited (a) and after laser ignition for 2 ms (b), 8 ms (c) and 22 ms (d)
2.2 Ti/Al纳米多层膜自蔓延反应产物分析
图3为在DSC腔体内缓慢加热和激光辐照2种诱发方式下Ti/Al纳米多层膜的XRD谱. 可以看出, 对于缓慢加热诱发Ti/Al纳米多层膜自蔓延反应, 反应产物主要是Ti3 Al, 还有少量的TiAl3 , 另外还检测到未参与反应的部分Ti. 激光诱发Ti/Al纳米多层膜自蔓延反应生成了几乎单一的金属间化合物相TiAl, 仅生成了极少量的Ti3 Al和TiAl3 . 考虑到纳米多层膜Ti∶Al原子比接近1, 这就说明激光诱发的自蔓延反应燃烧波前沿的温度较高, 因此能够在极短时间内达到2种原子充分互溶. 激光诱发自蔓延反应后纳米多层膜的表面结构如图4所示. 可以看出, 反应后纳米多层膜表面平整, 沿着燃烧波传播方向形成了明显的反应波纹.
图3 自蔓延反应后Ti/Al多层膜的XRD谱
Fig.3 XRD spectra of Ti/Al multilayer films after self-propagating reaction
图4 激光诱发自蔓延反应后Ti/Al多层膜表面结构的SEM像
Fig.4 SEM-SE image of surface structure of a Ti/Al multilayer after laser-induced self-propagating reaction
2.3 纳米多层膜调制周期对激光诱发自蔓延行为的影响
Ti/Al纳米多层膜调制周期与临界诱发能量密度和自蔓延速度的关系如图5所示. 可以看出, 临界诱发能量密度为7.0~12.3 J/cm2 , 高于常见金属的激光烧蚀临界能量密度[21 ] . 因此, Ti/Al纳米多层膜激光诱发自蔓延过程势必伴随材料的烧蚀. SEM观察也发现, 自蔓延反应后的Ti/Al纳米多层膜表面诱发脉冲激光聚焦处存在明显的烧蚀痕迹, 激光斑点覆盖的纳米多层膜已完全消失(图6). 金属材料的激光烧蚀有2种不同机制: 激光脉冲宽度较小(小于约10 ps)和能量密度较低(低于约1 J/cm2 )时, 热主要集中在光穿透深度范围以内; 而激光脉冲宽度大和能量密度高时, 大量的热耗散在光穿透深度范围以外发生, 进一步导致较大范围的材料熔化和蒸发. 对于后一种机制, 材料热影响区的大小取决于热扩散距离(热扩散系数乘以激光脉冲宽度), 即此时热传导将起主要作用. 由于自蔓延诱发能量密度较高且脉冲宽度较大, 自蔓延诱发过程中产生的激光烧蚀遵循后一种机制, 此时热影响区大小将远远超过光穿透深度[22 ] , 并达到几个调制周期, 甚至将超过纳米多层膜的总厚度.
图5表明, 临界诱发能量密度和自蔓延速度皆与调制周期相关. 大体上, 随着调制周期的减小, 临界诱发能量随之降低而自蔓延速度增加. 随着能量密度的提高, 热影响区大小增加. 而且, 具有较小调制周期的纳米多层膜, 达到Ti和Al层充分互溶所需的时间短, 自蔓延放热也就越快, 因此只需要较小的热影响区. 相反地, 具有较大调制周期的纳米多层膜需要更大的热影响区以实现足够数量的Ti和Al之间的互溶, 才能诱发相应的自蔓延反应. 因此, 临界激光诱发能量密度受控于热传输和物质输运2种过程.
图5 调制周期对激光临界诱发能量密度和自蔓延速度的影响
Fig.5 Laser ignition fluence and reaction propagation rate for Ti/Al reactive multilayers as a function of modulation period
已有研究[17 ,23 ,24 ] 表明, 多层膜的稳态自蔓延速度与调制周期有关. 自蔓延燃烧波前沿的材料输运受限, 所以自蔓延速度强烈依赖于反应时Ti和Al充分互溶所需的原子扩散距离. 这一原子扩散距离取决于多层膜的调制周期. 因此, 自蔓延速度大体上随多层膜调制周期的减小而增加.
图6 Ti/Al多层膜激光烧蚀斑点的SEM像
Fig.6 SEM-SE image of laser induced ablation morphology of a Ti/Al multilayer
如果调制周期进一步减小(小于约20 nm), 临界诱发能量反而增高, 且自蔓延速度降低. 由于磁控溅射过程中纳米多层膜受到电子轰击, 纳米多层膜的温度上升, 原子互扩散系数增加, 导致诱发前Ti/Al层间界面处存在明显的预互溶区. TEM观察发现, 大部分异种金属层间预互溶区的厚度为3~10 nm[18 ,25 ] . 预互溶区提前消耗了部分自蔓延反应物. 因此, 当纳米多层膜层厚度接近预互溶区厚度的时候(即调制周期达到约20 nm时), 会导致临界诱发能量密度提高而自蔓延速度降低.
2.4 纳米多层膜调制周期数对激光诱发自蔓延行为的影响
图7显示了纳米多层膜调制周期数对临界激光诱发能量密度和自蔓延速度的影响. 可以看出, 随周期数增加临界诱发能量密度逐渐升高而自蔓延速度逐渐降低. 在调制周期一定的情况下, 纳米多层膜周期数越多其总厚度越大, 纳米多层膜的热容也越大, 也就需要更高的能量密度使纳米多层膜达到相应的诱发温度, 因此, 诱发过程中纳米多层膜的热损失就越多, 导致诱发自蔓延反应所需的临界能量升高. 另一方面, 在能量密度一定的条件下, 周期数越多, 纳米多层膜热容越大, 由传导方式散失的热量亦增加, 因此, 反应区能达到的最高温度降低. 这将导致反应前沿的扩散速度降低,最终自蔓延速度也会下降.
图7 调制周期数对激光临界诱发能量密度和自蔓延速度的影响
Fig.7 Laser ignition fluence and reaction propagation rate for Ti/Al reactive multilayers as a function of modulation period numbers
2.5 纳米多层膜调制结构对自蔓延放热行为的影响
为了揭示调制结构对纳米多层膜的自蔓延放热行为的影响, 利用DSC方法对比了总厚度相同的2种纳米多层膜(一种是调制周期为80 nm, 调制周期数为100; 另一种是调制周期为160 nm, 调制周期数为50)在缓慢加热诱发条件下的放热行为, 如图8所示. 可以看出, Ti/Al纳米多层膜放热行为分为2个阶段: 第一个放热峰位于400~450 ℃, 纳米多层膜在这一阶段释放大部分热量; 第二个较小的放热峰则位于680~740 ℃. 总厚度相同的前提下, 调制周期大和周期数小的纳米多层膜释放的热量要大于调制周期小和周期数大的纳米多层膜, 而且前者的放热峰对应的温度略高于后者. 调制周期小周期数多的纳米多层膜拥有更多的层间异质界面个数, 因此, 异质层间预互溶区厚度占纳米多层膜总厚度的比例就高, 可供反应的剩余反应物就少, 因此它总的反应放热量小. 另一方面, 若纳米多层膜的调制周期小, 则反应时异质原子充分互溶所需的原子扩散距离小, 因此, 可以在相对低的温度下进行反应.
图8 总厚度相同但调制结构不同的2种多层膜的DSC曲线
Fig.8 DSC curves of the Ti/Al reactive multilayers with the same thickness but different modulated structures (P—modulation period, N—modulation period number)
2.6 激光脉冲持续时间对自蔓延激光诱发临界能量密度的影响
单个脉冲激光聚焦后垂直照射调制周期为80 nm, 调制周期数为100的Ti/Al纳米多层膜, 当脉冲持续时间为0.3, 0.4, 0.5和0.6 ms时, 对应的Ti/Al纳米多层膜激光临界诱发能量密度分别为30.2, 16.5, 15.9和16.0 J/cm2 . 随脉冲持续时间的延长, 激光临界诱发能量密度呈现递减趋势. 在脉冲持续时间约为0.4 ms时, 激光临界诱发能量骤减, 不到脉冲持续时间为0.3 ms时激光临界诱发能量密度的60%. 脉冲时间继续延长时,激光临界诱发能量密度减小的幅度变小, 激光临界诱发能量密度趋于稳定.
当其它条件不变时, 对于某种结构的Ti/Al纳米多层膜诱发自蔓延反应所需的能量是相同的. 因此, 当脉冲持续时间很短时, 诱发所需的脉冲峰值功率会很大, 使激光照射到纳米多层膜表面时, 瞬间即把纳米多层膜穿透. 但随着脉冲持续时间的延长, 由辐射、传导引起的能量损失也随之增加. 因此, 若脉冲时间继续延长并超过某一临界值时, 激光临界诱发能量密度会趋于稳定.
3 结论
(1) 通过磁控溅射得到了调制比为1且具有不同调制周期和周期数的自支撑Ti/Al纳米多层膜, 调制周期或周期数的减小, 导致激光诱发临界能量密度的减小以及自蔓延速度的增大. 但是当调制周期减小到接近Ti/Al预互溶区厚度时, 反而引起临界能量密度的提高和自蔓延速度的降低.
(2) 与调制周期小周期数大的纳米多层膜相比, 调制周期大但周期数小的纳米多层膜自蔓延反应释放更多的热量.
(3) 激光诱发的Ti/Al纳米多层膜自蔓延反应形成基本单一的TiAl金属间化合物, 有利于在焊接、局部热处理等实际应用中精确控制反应放热量.
(4) 随激光脉冲持续时间的延长, Ti/Al纳米多层膜的激光临界诱发能量密度呈现递减趋势. 当脉冲持续时间大于0.4 ms, 激光临界诱发能量密度会趋于稳定.
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2005
... 目前, 对于Ti/Al混合粉末自蔓延反应, 其自蔓延反应机理已基本清楚, 并成功应用到高温合金及化合物制备、陶瓷焊接等领域. 但对于Ti/Al多层膜自蔓延反应, 研究基本局限在其在材料制备[19 ] 和焊接[20 ] 方面的应用, 以及反应产物生成机制[11 ,12 ] 上. 但是, 关于它的精确诱发, 特别是关于多层膜结构对其自蔓延行为影响的研究还不够深入. 而且, 研究使用的多层膜都带有衬底[11 -13 ] , 而衬底会影响多层膜的诱发自蔓延行为, 因此难以准确刻画多层膜本身的诱发和自蔓延行为. ...
... [11 -13 ], 而衬底会影响多层膜的诱发自蔓延行为, 因此难以准确刻画多层膜本身的诱发和自蔓延行为. ...
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2012
... 目前, 对于Ti/Al混合粉末自蔓延反应, 其自蔓延反应机理已基本清楚, 并成功应用到高温合金及化合物制备、陶瓷焊接等领域. 但对于Ti/Al多层膜自蔓延反应, 研究基本局限在其在材料制备[19 ] 和焊接[20 ] 方面的应用, 以及反应产物生成机制[11 ,12 ] 上. 但是, 关于它的精确诱发, 特别是关于多层膜结构对其自蔓延行为影响的研究还不够深入. 而且, 研究使用的多层膜都带有衬底[11 -13 ] , 而衬底会影响多层膜的诱发自蔓延行为, 因此难以准确刻画多层膜本身的诱发和自蔓延行为. ...
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2013
... 受诱发的自蔓延反应在极短时间内释放大量能量, 可以瞬间集中加热局部微小区域, 这不仅是极具潜力的高温化合物合成手段[1 -5 ] , 而且可作为一种焊接方法或焊接热源[6 ,7 ] . 除了传统的金属-金属、金属-金属氧化物等混合粉末自蔓延反应体系以外, Ti/Al等物理气相沉积多层膜也能发生自蔓延放热反应[8 -13 ] . 这种多层膜具有2种纳米薄膜材料循环交叠形成的调制结构, 其自蔓延反应始于2种材料薄膜的界面处. 与混合粉末相比, 在反应过程中纳米多层膜的原子扩散距离减少了几十甚至几百倍, 能达到较充分的原子互溶. 而且, 高真空溅射沉积多层膜具有紧密接触的层间界面, 基本排除了杂质和孔洞对反应的影响[14 ] , 因此, 多层纳米膜结构能够获得更高的反应速度和反应温度[15 ] . 另外, 多层膜能够以设计好的形状直接沉积在所需的位置, 特别适合作为面向精密局域连接的植入型原位热源. 利用多层膜自蔓延反应实现局域精密连接, 其关键是精确诱发和控制反应放热过程以减少对待连接单元的破坏. ...
... 目前, 对于Ti/Al混合粉末自蔓延反应, 其自蔓延反应机理已基本清楚, 并成功应用到高温合金及化合物制备、陶瓷焊接等领域. 但对于Ti/Al多层膜自蔓延反应, 研究基本局限在其在材料制备[19 ] 和焊接[20 ] 方面的应用, 以及反应产物生成机制[11 ,12 ] 上. 但是, 关于它的精确诱发, 特别是关于多层膜结构对其自蔓延行为影响的研究还不够深入. 而且, 研究使用的多层膜都带有衬底[11 -13 ] , 而衬底会影响多层膜的诱发自蔓延行为, 因此难以准确刻画多层膜本身的诱发和自蔓延行为. ...
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1992
... 受诱发的自蔓延反应在极短时间内释放大量能量, 可以瞬间集中加热局部微小区域, 这不仅是极具潜力的高温化合物合成手段[1 -5 ] , 而且可作为一种焊接方法或焊接热源[6 ,7 ] . 除了传统的金属-金属、金属-金属氧化物等混合粉末自蔓延反应体系以外, Ti/Al等物理气相沉积多层膜也能发生自蔓延放热反应[8 -13 ] . 这种多层膜具有2种纳米薄膜材料循环交叠形成的调制结构, 其自蔓延反应始于2种材料薄膜的界面处. 与混合粉末相比, 在反应过程中纳米多层膜的原子扩散距离减少了几十甚至几百倍, 能达到较充分的原子互溶. 而且, 高真空溅射沉积多层膜具有紧密接触的层间界面, 基本排除了杂质和孔洞对反应的影响[14 ] , 因此, 多层纳米膜结构能够获得更高的反应速度和反应温度[15 ] . 另外, 多层膜能够以设计好的形状直接沉积在所需的位置, 特别适合作为面向精密局域连接的植入型原位热源. 利用多层膜自蔓延反应实现局域精密连接, 其关键是精确诱发和控制反应放热过程以减少对待连接单元的破坏. ...
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2010
... 受诱发的自蔓延反应在极短时间内释放大量能量, 可以瞬间集中加热局部微小区域, 这不仅是极具潜力的高温化合物合成手段[1 -5 ] , 而且可作为一种焊接方法或焊接热源[6 ,7 ] . 除了传统的金属-金属、金属-金属氧化物等混合粉末自蔓延反应体系以外, Ti/Al等物理气相沉积多层膜也能发生自蔓延放热反应[8 -13 ] . 这种多层膜具有2种纳米薄膜材料循环交叠形成的调制结构, 其自蔓延反应始于2种材料薄膜的界面处. 与混合粉末相比, 在反应过程中纳米多层膜的原子扩散距离减少了几十甚至几百倍, 能达到较充分的原子互溶. 而且, 高真空溅射沉积多层膜具有紧密接触的层间界面, 基本排除了杂质和孔洞对反应的影响[14 ] , 因此, 多层纳米膜结构能够获得更高的反应速度和反应温度[15 ] . 另外, 多层膜能够以设计好的形状直接沉积在所需的位置, 特别适合作为面向精密局域连接的植入型原位热源. 利用多层膜自蔓延反应实现局域精密连接, 其关键是精确诱发和控制反应放热过程以减少对待连接单元的破坏. ...
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2003
... 常见的自蔓延反应诱发方式有机械研磨、电火花、加电压、局部加热等. 其中聚焦的激光束可以精确控制能量输入和诱发位置[16 ] , 因此, 它可以精确诱发多层纳米膜的自蔓延反应并减少对周边的热损伤[17 ,18 ] . 而且, 在精密热加工领域, 特别是在微电子制造领域, 可以借助集成电路制造工艺流程中的曝光技术, 一次诱发晶圆不同区域的多层纳米膜的自蔓延反应, 从而获得批量植入型精密热源. ...
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2006
... 常见的自蔓延反应诱发方式有机械研磨、电火花、加电压、局部加热等. 其中聚焦的激光束可以精确控制能量输入和诱发位置[16 ] , 因此, 它可以精确诱发多层纳米膜的自蔓延反应并减少对周边的热损伤[17 ,18 ] . 而且, 在精密热加工领域, 特别是在微电子制造领域, 可以借助集成电路制造工艺流程中的曝光技术, 一次诱发晶圆不同区域的多层纳米膜的自蔓延反应, 从而获得批量植入型精密热源. ...
... 已有研究[17 ,23 ,24 ] 表明, 多层膜的稳态自蔓延速度与调制周期有关. 自蔓延燃烧波前沿的材料输运受限, 所以自蔓延速度强烈依赖于反应时Ti和Al充分互溶所需的原子扩散距离. 这一原子扩散距离取决于多层膜的调制周期. 因此, 自蔓延速度大体上随多层膜调制周期的减小而增加. ...
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2008
... 常见的自蔓延反应诱发方式有机械研磨、电火花、加电压、局部加热等. 其中聚焦的激光束可以精确控制能量输入和诱发位置[16 ] , 因此, 它可以精确诱发多层纳米膜的自蔓延反应并减少对周边的热损伤[17 ,18 ] . 而且, 在精密热加工领域, 特别是在微电子制造领域, 可以借助集成电路制造工艺流程中的曝光技术, 一次诱发晶圆不同区域的多层纳米膜的自蔓延反应, 从而获得批量植入型精密热源. ...
... 如果调制周期进一步减小(小于约20 nm), 临界诱发能量反而增高, 且自蔓延速度降低. 由于磁控溅射过程中纳米多层膜受到电子轰击, 纳米多层膜的温度上升, 原子互扩散系数增加, 导致诱发前Ti/Al层间界面处存在明显的预互溶区. TEM观察发现, 大部分异种金属层间预互溶区的厚度为3~10 nm[18 ,25 ] . 预互溶区提前消耗了部分自蔓延反应物. 因此, 当纳米多层膜层厚度接近预互溶区厚度的时候(即调制周期达到约20 nm时), 会导致临界诱发能量密度提高而自蔓延速度降低. ...
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2004
... 目前, 对于Ti/Al混合粉末自蔓延反应, 其自蔓延反应机理已基本清楚, 并成功应用到高温合金及化合物制备、陶瓷焊接等领域. 但对于Ti/Al多层膜自蔓延反应, 研究基本局限在其在材料制备[19 ] 和焊接[20 ] 方面的应用, 以及反应产物生成机制[11 ,12 ] 上. 但是, 关于它的精确诱发, 特别是关于多层膜结构对其自蔓延行为影响的研究还不够深入. 而且, 研究使用的多层膜都带有衬底[11 -13 ] , 而衬底会影响多层膜的诱发自蔓延行为, 因此难以准确刻画多层膜本身的诱发和自蔓延行为. ...
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2005
... 目前, 对于Ti/Al混合粉末自蔓延反应, 其自蔓延反应机理已基本清楚, 并成功应用到高温合金及化合物制备、陶瓷焊接等领域. 但对于Ti/Al多层膜自蔓延反应, 研究基本局限在其在材料制备[19 ] 和焊接[20 ] 方面的应用, 以及反应产物生成机制[11 ,12 ] 上. 但是, 关于它的精确诱发, 特别是关于多层膜结构对其自蔓延行为影响的研究还不够深入. 而且, 研究使用的多层膜都带有衬底[11 -13 ] , 而衬底会影响多层膜的诱发自蔓延行为, 因此难以准确刻画多层膜本身的诱发和自蔓延行为. ...
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1999
... Ti/Al纳米多层膜调制周期与临界诱发能量密度和自蔓延速度的关系如图5所示. 可以看出, 临界诱发能量密度为7.0~12.3 J/cm2 , 高于常见金属的激光烧蚀临界能量密度[21 ] . 因此, Ti/Al纳米多层膜激光诱发自蔓延过程势必伴随材料的烧蚀. SEM观察也发现, 自蔓延反应后的Ti/Al纳米多层膜表面诱发脉冲激光聚焦处存在明显的烧蚀痕迹, 激光斑点覆盖的纳米多层膜已完全消失(图6). 金属材料的激光烧蚀有2种不同机制: 激光脉冲宽度较小(小于约10 ps)和能量密度较低(低于约1 J/cm2 )时, 热主要集中在光穿透深度范围以内; 而激光脉冲宽度大和能量密度高时, 大量的热耗散在光穿透深度范围以外发生, 进一步导致较大范围的材料熔化和蒸发. 对于后一种机制, 材料热影响区的大小取决于热扩散距离(热扩散系数乘以激光脉冲宽度), 即此时热传导将起主要作用. 由于自蔓延诱发能量密度较高且脉冲宽度较大, 自蔓延诱发过程中产生的激光烧蚀遵循后一种机制, 此时热影响区大小将远远超过光穿透深度[22 ] , 并达到几个调制周期, 甚至将超过纳米多层膜的总厚度. ...
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2012
... Ti/Al纳米多层膜调制周期与临界诱发能量密度和自蔓延速度的关系如图5所示. 可以看出, 临界诱发能量密度为7.0~12.3 J/cm2 , 高于常见金属的激光烧蚀临界能量密度[21 ] . 因此, Ti/Al纳米多层膜激光诱发自蔓延过程势必伴随材料的烧蚀. SEM观察也发现, 自蔓延反应后的Ti/Al纳米多层膜表面诱发脉冲激光聚焦处存在明显的烧蚀痕迹, 激光斑点覆盖的纳米多层膜已完全消失(图6). 金属材料的激光烧蚀有2种不同机制: 激光脉冲宽度较小(小于约10 ps)和能量密度较低(低于约1 J/cm2 )时, 热主要集中在光穿透深度范围以内; 而激光脉冲宽度大和能量密度高时, 大量的热耗散在光穿透深度范围以外发生, 进一步导致较大范围的材料熔化和蒸发. 对于后一种机制, 材料热影响区的大小取决于热扩散距离(热扩散系数乘以激光脉冲宽度), 即此时热传导将起主要作用. 由于自蔓延诱发能量密度较高且脉冲宽度较大, 自蔓延诱发过程中产生的激光烧蚀遵循后一种机制, 此时热影响区大小将远远超过光穿透深度[22 ] , 并达到几个调制周期, 甚至将超过纳米多层膜的总厚度. ...
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1990
... 已有研究[17 ,23 ,24 ] 表明, 多层膜的稳态自蔓延速度与调制周期有关. 自蔓延燃烧波前沿的材料输运受限, 所以自蔓延速度强烈依赖于反应时Ti和Al充分互溶所需的原子扩散距离. 这一原子扩散距离取决于多层膜的调制周期. 因此, 自蔓延速度大体上随多层膜调制周期的减小而增加. ...
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1997
... 已有研究[17 ,23 ,24 ] 表明, 多层膜的稳态自蔓延速度与调制周期有关. 自蔓延燃烧波前沿的材料输运受限, 所以自蔓延速度强烈依赖于反应时Ti和Al充分互溶所需的原子扩散距离. 这一原子扩散距离取决于多层膜的调制周期. 因此, 自蔓延速度大体上随多层膜调制周期的减小而增加. ...
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2006
... 如果调制周期进一步减小(小于约20 nm), 临界诱发能量反而增高, 且自蔓延速度降低. 由于磁控溅射过程中纳米多层膜受到电子轰击, 纳米多层膜的温度上升, 原子互扩散系数增加, 导致诱发前Ti/Al层间界面处存在明显的预互溶区. TEM观察发现, 大部分异种金属层间预互溶区的厚度为3~10 nm[18 ,25 ] . 预互溶区提前消耗了部分自蔓延反应物. 因此, 当纳米多层膜层厚度接近预互溶区厚度的时候(即调制周期达到约20 nm时), 会导致临界诱发能量密度提高而自蔓延速度降低. ...
, 田艳红
