[發明專利]一種機械變形制備超高硬度單向連續無晶界納米孿晶方法

無效

• 申請號: 201210306177.5
• 申請日: 2012-08-26
• 公開（公告）號: CN102816911A
• 公開（公告）日: 2012-12-12
• 發明（設計）人: 張振宇;張念民;李方元;郭東明
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: C21D7/02
• 分類號: C21D7/02;C22F1/00
• 代理公司: 大連理工大學專利中心 21200
• 代理人: 侯明遠

技術領域

一種機械變形制備超高硬度單向連續無晶界納米孿晶方法，屬于II-VI族軟脆晶體納米加工制造技術領域，特別涉及II-VI族軟脆晶體的光電子器件制造的方法。

背景技術

納米孿晶結構由于具有高強度，同時能夠保持良好的塑性、導電性、穩定性、抗熱性，而得到國內外科學家以及工程技術人員的廣泛關注。在單晶銅中引入納米晶體，能夠使得強度提高5倍，但是會變脆，使得塑性迅速下降。為了克服強度提高從而導致的塑性下降的問題，納米孿晶結構被引入到納米晶體中，從而使得晶體的強度能夠提高到10倍，而且基本保持導電性和塑性。目前納米孿晶的研究工作主要集中于金屬材料，主要為銅，其次為銀、金、不銹鋼等，鮮有關于第三代軟脆II-VI族半導體的相關報道。目前的制備納米孿晶方法主要有三種：脈沖電沉積法、磁控濺射法和動態塑性變形法。脈沖電沉積法制備的納米顆粒中含有納米孿晶結構，晶粒的尺寸為幾百納米到幾個微米，不同晶粒的孿晶晶向任意排布；磁控濺射法可以制備出單向的納米孿晶結構，顆粒的尺度為幾十納米，納米孿晶的厚度方向一般平行于生長方向；動態塑性變形法制備的顆粒尺寸從幾百納米到幾十個微米，不同晶粒的孿晶晶向各異。這三種方法的共同點都是制備的晶體為多晶，也就是說引入了很多的晶界。而晶界的能量較納米孿晶要高一個量級以上，這使得形成的含有納米孿晶結構的多晶體的強度和穩定性受到限制。

目前鮮有關于單向連續無晶界納米孿晶的報道，這種新型納米孿晶結構由于去除了晶界的不利影響，有望使得單向連續的納米孿晶的效果得到更充分的發揮，從而大幅度提高單晶體的硬度，而且保持良好的塑性。II-VI族軟脆晶體具有優越的光電性能，然而其力學性能相對低下，如果能夠采用納米孿晶結構改善其力學性能，同時保持其塑性，這對于II-VI族軟脆晶體的光電子器件制造領域具有潛在的重要的應用價值。

發明內容

本發明的目的是提供一種機械變形方法，制備超高硬度納米孿晶結構，實現II-VI族軟脆晶體具有超高硬度同時具有良好的塑性功能。

?本發明的技術方案是采用表面粗糙度Ra≤1.5納米的II-VI族軟脆單晶體為樣品，在≤1牛載荷下，用納米壓痕和納米劃痕制備單向、連續和無晶界納米孿晶方法。壓頭為Berkovich三棱錐、圓錐和三棱直角錐，劃針為圓錐形劃針。制備的納米孿晶結構為厚度在15-100納米的大孿晶和小于15納米的小孿晶交替分布模式。形成的納米孿晶結構硬度可達80?GPa，為原單晶體的100倍，并具有良好的塑性，可承受300次的循環加載。

樣品為II-VI族軟脆單晶體。II-VI族軟脆晶體具有低的層錯能，因此在機械變形中容易形成納米孿晶，從而選用II-VI族軟脆單晶體作為單向連續無晶界納米孿晶制備的樣品。II-VI族的典型代表為碲鋅鎘（CdZnTe或CZT）。

樣品表面粗糙度Ra≤1.5?nm。由于要制備單向連續納米孿晶結構，表面的劃痕等缺陷對納米孿晶性能會有較大的影響，考慮實際加工II-VI族軟脆晶體的困難，II-VI族軟脆晶體的粗糙度要達到Ra≤1.5?nm。這種粗糙度在實際中采用化學機械拋光可以達到，獲得的超光滑表面可以滿足制備單向連續無晶界納米孿晶的要求。

采用的機械變形方法為納米壓痕和納米劃痕。由于動態塑性變形方法具有高速動態的特征，同時產生的剪應力極其復雜，使得產生了含有納米孿晶結構的多晶體。為了產生單一方向的剪應力，因此采用低速準靜態的納米壓痕和納米劃痕方法制備單向連續無晶界的納米孿晶結構。

加載載荷≤1?N。由于II-VI族軟脆晶體具有軟脆特性，尤其是脆性特征非常明顯，因此要求其法向載荷不要超過1?N，避免直接將單晶體壓碎和劃碎。低于1N的載荷在實驗中一般不會壓碎或劃碎單晶體，而且可以產生單向連續無晶界的納米孿晶結構。

所用的壓頭為Berkovich三棱錐、圓錐、三棱直角錐，所用的劃針為圓錐形劃針。Berkovich三棱錐、圓錐、三棱直角錐為常用的商業針尖，便于實現納米孿晶結構的制備。圓錐形劃針也是常用的商業納米劃痕針尖，而且可以滿足制備納米孿晶結構的需求。

所制備的納米孿晶結構具有單向、連續、無晶界特征。為了充分發揮納米孿晶的作用，晶界不能引入到所制備的納米孿晶結構中，因此制備的納米孿晶應為單晶體。連續的納米孿晶結構才能使得孿晶的功能充分發揮，因此需要制備出單向連續無晶界的納米孿晶結構。