Cu/Zr納米多層膜的調(diào)制結(jié)構(gòu)與電阻率

張國(guó)君，關(guān)志良，李 嬌，王 濤，張金鈺

(1.西安理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710048)(2.西安交通大學(xué)金屬材料強(qiáng)度國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710049)

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Cu/Zr納米多層膜的調(diào)制結(jié)構(gòu)與電阻率

張國(guó)君1，關(guān)志良1，李 嬌1，王 濤1，張金鈺2

(1.西安理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710048)(2.西安交通大學(xué)金屬材料強(qiáng)度國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710049)

采用磁控濺射技術(shù)在單晶硅片上制備了恒定調(diào)制周期 (λ=25,40 nm)、不同調(diào)制比(η=0.1～10.5)的Cu/Zr納米多層膜。分別通過(guò)透射電子顯微鏡研究分析Cu/Zr多層膜的微觀結(jié)構(gòu)，通過(guò)四探針測(cè)量法系統(tǒng)研究Cu/Zr多層膜電阻率的尺寸效應(yīng)。微觀結(jié)構(gòu)分析表明：Cu/Zr多層膜呈現(xiàn)周期性層狀結(jié)構(gòu)，層界面清晰。調(diào)制周期與調(diào)制比均顯著影響Cu/Zr多層膜的電阻率(ρ)。相同調(diào)制周期下，η大于臨界調(diào)制比(ηC≈1)時(shí)，ρ幾乎與η無(wú)關(guān); 而η小于此臨界調(diào)制比(ηC≈1)時(shí)，ρ隨η減小急劇增大。利用Fuchs-Sondheimer和Mayadas-Shatzkes (FS-MS)傳輸模型可以對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行很好的擬合，擬合結(jié)果表明：當(dāng)η>ηC時(shí)，晶界散射和界面散射協(xié)同作用是Cu/Zr多層膜電阻率變化的主控機(jī)制；當(dāng)η<ηC時(shí)，晶界散射成為多層膜電阻率變化的主導(dǎo)因素。

納米多層膜；晶界；界面；電阻率

1 前 言

金屬多層膜是指由兩種或兩種以上的金屬組元材料，沿垂直于襯底方向以相同或不同的單層厚度交替沉積而成的，具有大量異質(zhì)界面結(jié)構(gòu)的薄膜。由于其組元層的小尺度約束效應(yīng)與異質(zhì)界面的影響，納米金屬多層膜在力學(xué)、光學(xué)、磁學(xué)與電學(xué)性能上表現(xiàn)出與塊體材料迥異的性能[1-3]，使得納米多層膜材料在微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)和超大規(guī)模集成電路(VLSI)中廣泛地被用于核心結(jié)構(gòu)材料。然而，當(dāng)多層膜特征尺寸減小至納米量級(jí)，小于或接近于電子平均自由程時(shí)，電子的散射方式會(huì)發(fā)生突變，導(dǎo)致納米金屬多層膜的電子輸運(yùn)行為變得更加復(fù)雜[3-6]。因此，納米金屬多層膜的電學(xué)特性及其尺寸效應(yīng)研究是一個(gè)亟待解決的科學(xué)問(wèn)題。

現(xiàn)有研究結(jié)果表明，隨著多層膜調(diào)制周期的不斷減小，同質(zhì)晶界和異質(zhì)膜界的數(shù)量不斷增多，存在臨界調(diào)制周期，使得電阻率出現(xiàn)異常增加，表現(xiàn)出明顯的尺寸效應(yīng)[3,4]。例如，Misra等人[4]研究發(fā)現(xiàn)Cu/Cr多層膜(η=1)的電阻率顯著依賴于多層膜的調(diào)制周期λ，并且當(dāng)λ從300 nm減小到50 nm，電阻率ρ緩慢增大，隨λ的進(jìn)一步減小，ρ急劇增加。這與張金鈺等人[3]對(duì)Cu/X(X=Cr、Nb)納米金屬多層膜的研究結(jié)果是一致的。電阻率增大的主要原因是隨著調(diào)制周期的減小，多層膜界面密度增加，界面對(duì)電子散射作用增強(qiáng)[3,4]。即使在組元材料單質(zhì)薄膜中，隨著金屬膜厚度(和/或晶粒尺寸)的減小，由于晶界散射效應(yīng)增強(qiáng)，薄膜電阻率逐漸增大[5,6]。

通常，國(guó)內(nèi)外研究人員分別采用Fuchs-Sondheimer (F-S)和Mayadas-Shatzkes(M-S)模型來(lái)研究薄膜材料中晶界散射與界面散射作用對(duì)其電輸運(yùn)行為的影響規(guī)律[1,3]。在調(diào)制周期大于某一臨界值時(shí)，F(xiàn)-S和M-S理論模型能夠?qū)Χ鄬幽る娮杪逝c調(diào)制周期的定量關(guān)系進(jìn)行較好的擬合[7,8]。事實(shí)上，F(xiàn)-S和M-S模型是簡(jiǎn)單假設(shè)的一維模型[9,10]，隨著薄膜材料特征尺寸在微納尺度范疇內(nèi)不斷減小，其電輸運(yùn)特性逐漸過(guò)渡至準(zhǔn)二維模式，薄膜厚度和晶粒尺寸的影響相互耦合在一起。因此，晶界和界面散射過(guò)程中計(jì)算金屬薄膜電阻率的理論模型更加復(fù)雜[11]，后續(xù)發(fā)展的FS-MS模型在微納尺度上將上述兩種作用機(jī)制進(jìn)行了有機(jī)統(tǒng)一[1,3]。目前，對(duì)納米金屬多層膜的電學(xué)性能研究主要集中在多層膜(η=1)電阻率對(duì)調(diào)制周期的依賴性，而多層膜電阻率對(duì)調(diào)制比的依賴性研究鮮有報(bào)道。同時(shí)，由于不同調(diào)制比的多層膜內(nèi)部微觀組織結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，其電輸運(yùn)特性及相應(yīng)機(jī)制也有待深入研究。

本文選取晶格類型為FCC的Cu與HCP的Zr組成的FCC/HCP體系的多層膜，通過(guò)磁控濺射方法在單晶Si片制備了調(diào)制周期恒定(λ=25, 40 nm)、調(diào)制比系列變化(η=0.1～10.5)的Cu/Zr納米金屬多層膜。利用X射線衍射儀(XRD)和透射電子顯微鏡(TEM)分析表征多層膜的微觀組織結(jié)構(gòu)，揭示調(diào)制比對(duì)多層膜生長(zhǎng)的影響規(guī)律。通過(guò)測(cè)試多層膜的電阻率，系統(tǒng)地研究了調(diào)制比對(duì)其電學(xué)性能的影響，探討了納米多層膜中晶界與界面散射和電輸運(yùn)行為之間的內(nèi)在聯(lián)系。

2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)采用閉合場(chǎng)非平衡磁控濺射技術(shù)，在單晶Si基體上制備Cu/Zr金屬多層膜。靶材Cu，Zr的純度均為99.99%。濺射沉積前，采用1 keV Ar+離子轟擊清洗基體5 min，磁控濺射的本底真空約為1×10-5Pa，鍍膜偏壓為-75 V。制備固定樣品的總厚度為1000 nm、調(diào)制周期λ=hCu+hZr=25, 40 nm、調(diào)制比η變化的 (η=hCu/hZr=0.1～10.5)的Cu/Zr納米金屬多層膜。在制備過(guò)程中，使用Ar氣作為濺射氣體，其流量為15 sccm。濺射沉積前，先用高能Ar+對(duì)爐腔壁、靶材以及工件架進(jìn)行離子清洗，以清除靶材、工件架表面的氣體吸附層及氧化物，防止雜質(zhì)影響鍍層質(zhì)量。通過(guò)7000S 型X射線衍射儀(XRD) (Cu Kα射線，40 mA，40 kV，θ-2θ掃描方式)測(cè)定多層膜的晶體取向以及殘余應(yīng)力；通過(guò)JEOL-2100F高分辨透射電子顯微鏡(HR-TEM)對(duì)多層膜的調(diào)制結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。

使用RTS-9型數(shù)字式四探針測(cè)試儀進(jìn)行硅基體上Cu/Zr納米多層膜室溫方阻的測(cè)量，針尖曲率半徑為25～ 50 μm，四根探針固定且等間距排列在一條直線上，間距為1 mm。測(cè)試的薄膜試樣平面大小為2.0 cm × 2.0 cm，設(shè)定工作電流為4.47 mA，探針位于試樣對(duì)角線中央，并且探針對(duì)樣品的壓力一般控制在10 N左右。為保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果可靠，每個(gè)樣品測(cè)量5次，誤差不超過(guò)1.5%。

3 結(jié)果與討論

3.1 XRD結(jié)果與分析

圖1a和1b分別是調(diào)制周期λ=25 nm和40 nm、不同調(diào)制比的Cu/Zr納米多層膜的XRD譜。Cu晶粒沿(111)晶面擇優(yōu)生長(zhǎng)，而HCP結(jié)構(gòu)的Zr層具有(0002)擇優(yōu)取向。隨著調(diào)制比的增加，Cu(111)峰的強(qiáng)度逐漸增加，而Zr(0002)峰的強(qiáng)度逐漸減??；當(dāng)調(diào)制比增至10時(shí)Zr的衍射峰甚至消失。

3.2 TEM結(jié)果與分析

對(duì)不同調(diào)制周期的Cu/Zr納米多層膜的TEM分析表明多層膜具有周期性變化的調(diào)制結(jié)構(gòu)，層界面清晰，如圖2所示。其中，深色條紋層是Cu層，而淺色條紋層是Zr層?？傮w而言，隨著調(diào)制比的減小，Cu晶粒尺寸減小，而Zr晶粒尺寸增大。其中，Cu層晶粒呈柱狀納米晶，晶粒尺寸與亞層厚度相當(dāng)，且Cu晶粒中存在少量貫穿或鑲嵌于Cu晶粒中的孿晶。當(dāng)調(diào)制比大于10時(shí)(Zr層厚度小于3 nm)，Zr層接近于非晶態(tài)(如圖2b)，這也進(jìn)一步證實(shí)了調(diào)制比大于10時(shí)Zr層X(jué)RD衍射峰消失；當(dāng)調(diào)制比小于10時(shí)，Zr層晶粒呈極細(xì)小的納米晶甚至是柱狀晶粒(如圖2c)，層內(nèi)晶粒尺寸變化不大。

3.3 Cu/Zr納米多層膜的電學(xué)性能研究

由于納米金屬多層膜具有大量的晶界與層間異質(zhì)界面共存的復(fù)雜微觀結(jié)構(gòu)，使得多層膜的晶界散射和界面散射相互作用成為電子散射行為的主控機(jī)制。金屬的電阻源于原子自身的熱振動(dòng)以及雜質(zhì)、空位、間隙原子、位錯(cuò)等對(duì)其中形成電流的定向電子運(yùn)動(dòng)的散射。因此，電子平均自由程與Cu層或Zr層的單層厚度之間的關(guān)系，即電子和晶界與異質(zhì)界面的相互作用，導(dǎo)致多層膜電輸運(yùn)性能出現(xiàn)臨界尺寸效應(yīng)。

本文以Cu/Zr納米多層膜為研究對(duì)象，重點(diǎn)討論調(diào)制比對(duì)多層膜電阻率的影響，研究納米多層膜中晶界與異質(zhì)界面對(duì)電子散射行為的影響規(guī)律，從而深入了解納米多層膜電輸運(yùn)行為的尺寸效應(yīng)。

圖1 調(diào)制周期分別為25 nm (a)和40 nm (b)的不同調(diào)制比Cu/Zr納米多層膜的XRD圖譜Fig.1 XRD patterns of Cu/Zr nano-multilayer films with different modulation ratios: (a) λ=25 nm and (b) λ=40 nm

圖2 Cu/Zr納米多層膜的TEM照片：(a) λ=25 nm, η=1.9; (b) λ=25 nm, η=10.5; (c) λ=40 nm, η=0.2; (d) λ=40 nm, η=4Fig.2 TEM images showing the cross-section view of the Cu/Zr multilayers: (a) λ=25 nm, η=1.9; (b) λ=25 nm, η=10.5;(c) λ=40 nm, η=0.2; (d) λ=40 nm, η=4

3.3.1 調(diào)制比對(duì)多層膜電學(xué)性能的影響

圖3是調(diào)制周期λ=25 nm和40 nm時(shí)，Cu/Zr納米多層膜的電阻率ρ隨調(diào)制比η變化的關(guān)系?？梢钥闯?，在恒定λ下多層膜電阻率ρ具有明顯的尺寸依賴性，且存在臨界調(diào)制比(ηC=1)。當(dāng)η>ηC，隨著η的減小，ρ基本上不受影響，變化趨于平緩；當(dāng)η<ηC，隨著η的減小，ρ急劇增大。這可以從組元含量的角度來(lái)討論。一方面，由于隨著η的減小，hCu逐漸減小，即電阻率小的Cu含量減小，而hZr增大，即電阻率大的Zr含量增大，因此Cu層和Zr層協(xié)同作用使得電阻率在所研究的整個(gè)η范圍內(nèi)單調(diào)增大。然而，這與η>ηC時(shí)ρ與η無(wú)關(guān)的結(jié)果不符。這說(shuō)明，僅從組元含量的角度無(wú)法解釋電阻率隨調(diào)制比變化的異常行為，必須同時(shí)考慮多層膜內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征隨調(diào)制比的變化情況及其與電子自由程之間的關(guān)系。也就是說(shuō)，由于隨著η的減小，hCu減小(Cu晶粒尺寸減小)，導(dǎo)致缺陷密度增大，阻礙電子的定向移動(dòng)，使得電阻率增大。然而隨著η的減小，hZr增大(Zr晶粒尺寸增加)，導(dǎo)致電阻率有所降低。這兩方面綜合因素的結(jié)果導(dǎo)致了多層膜電輸運(yùn)行為隨調(diào)制比變化的臨界尺寸效應(yīng)。此外，從圖3也可以看出，相同調(diào)制比下，調(diào)制周期越小多層膜電阻率越大。

圖3 不同調(diào)制周期下，Cu/Zr納米多層膜的電阻率隨調(diào)制比變化的關(guān)系:(a) λ=25nm, (b) λ=40 nmFig.3 Variations of electrical resistivity with different modulation ratios of the Cu/Zr multilayers in the different modulation periods: (a) λ=25 nm, (b) λ=40 nm

3.3.2 調(diào)制Cu/Zr多層膜電學(xué)性能的FS-MS模型討論

金屬電阻形成的根源是自由電子發(fā)生阻礙性的碰撞，使得自由電子不能在外加電場(chǎng)作用下定向移動(dòng)。可能發(fā)生這種碰撞的地方是電子-晶界，電子-晶格，電子-雜質(zhì)和電子-表面。當(dāng)薄膜的某一維尺寸或二維尺寸小到能夠與該溫度所對(duì)應(yīng)的電子平均自由程相比時(shí)，電子-表面上發(fā)生非鏡面反射(漫反射)，薄膜的電阻率隨材料特征尺寸的變化而改變，即表現(xiàn)出電阻率的尺寸效應(yīng)。

在分析金屬薄膜的電輸運(yùn)機(jī)制上，以往人們通常采用Fuchs-Sondheimer(F-S)模型和Mayadas-Shatzkes (M-S)模型來(lái)解釋。F-S模型側(cè)重于電阻率對(duì)膜厚的尺寸依賴性，主要討論的是電子平均自由程和傳導(dǎo)電子的鏡面反射關(guān)系，即多層膜界面對(duì)電子散射行為的影響。M-S模型主要討論晶粒尺寸和晶界反射系數(shù)對(duì)電阻率的影響，即多層膜晶界對(duì)電子的散射作用。而FS-MS模型在納米尺度上將上述兩種機(jī)制進(jìn)行了協(xié)調(diào)統(tǒng)一[1, 3, 11]。

對(duì)于Cu/Zr納米多層膜，從晶界散射和界面散射來(lái)解釋調(diào)制比對(duì)其電學(xué)性能的影響。Cu層和Zr層組成了周期性排列的雙層結(jié)構(gòu)，多層膜電阻率受層間異質(zhì)界面散射和組元層的晶界散射所影響，各個(gè)單層電阻率由FS-MS模型的表達(dá)式，如式(1)得到：

(1)

式中，ρ0為金屬的電阻率，l為材料的電子平均自由程，室溫下(293 K)純Cu、純Zr的電阻率分別為1.7 μΩ·cm和42.1 μΩ·cm[12]，Cu和Zr的電子平均自由程分別為lCu=39 nm和lZr=60.3 nm[13]。h為多層膜中單層厚度，P為鏡面反射系數(shù)，R為晶界散射系數(shù)，d為晶粒尺寸，在擬合過(guò)程中，可近似認(rèn)為晶粒尺寸等于單層膜厚，即d=h。

假定金屬塊體材料中電子平均自由程為lbulk，有效電子平均自由程為leff，leff與金屬晶粒尺寸d有關(guān)，當(dāng)晶粒尺寸小于塊材的平均自由程時(shí)，即當(dāng)d

(2)

因此，可得式(3)：

(3)

當(dāng)式(1)中Cu和Zr的晶粒尺寸d小于其塊體電子平均自由程l時(shí)，即dCu

根據(jù)式(1)計(jì)算出Cu和Zr單層的電阻率，Cu/Zr多層膜的電阻率由Boltzmann傳輸方程計(jì)算[7]，即式(4)和式(5)：

(4)

(5)

式中，ρCu和ρZr分別為Cu、Zr兩種金屬固有的電阻率，即金屬塊體電阻率，lCu和lZr分別為這兩種金屬的電子平均自由程，該公式表明了散射發(fā)生在兩種不同的材料Cu和Zr之間的界面和晶面中。

考慮到電阻率雙層結(jié)構(gòu)模型極值曲線的限制，在厚膜的限制下，當(dāng)單層厚度大于任意一個(gè)電子平均自由程(h≥lZr，lCu)時(shí)，積分Γ為0，電阻率可由式(6)計(jì)算：

(6)

相當(dāng)于兩獨(dú)立的電阻并聯(lián)。而由于薄膜的限制，單層厚度與電子平均自由程可比或者均小于電子平均自由程(h≤lZr，lCu)時(shí)，公式(5)簡(jiǎn)化為?！謍/{3lCu(1+lCu/lZr)},因此電阻率計(jì)算公式變?yōu)槭?7)：

(7)

而引入調(diào)制比后，多層膜電阻率可表示為式(8)，

(8)

即得

(9)

結(jié)合式(1)與式(8)，就可以得到FS-MS模擬的多層膜電阻率值。

在恒定調(diào)制周期λ=25 nm時(shí)，界面數(shù)量不變，假定界面散射的影響忽略不計(jì)，均采用鏡面反射系數(shù)P=1進(jìn)行擬合。調(diào)制比的變化使得多層膜的晶粒尺寸發(fā)生變化，晶界密度隨之發(fā)生變化。隨著η的減小，hCu減小導(dǎo)致Cu晶界數(shù)量增多。同時(shí)，hZr增大，Zr晶粒數(shù)量增多使得Zr晶界數(shù)量也相應(yīng)增多。在此情況下，反映晶界散射效應(yīng)的晶界散射系數(shù)R對(duì)電阻率的影響起到了決定作用。取晶界散射系數(shù)R=0.4～0.95對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合，如圖4所示。可以看出，隨著晶界散射系數(shù)R值的增大，擬合結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值的差距增加。在η>ηC時(shí)，R=0.7的FS-MS模型擬合結(jié)果符合實(shí)驗(yàn)結(jié)果；在η<ηC時(shí)，R=0.93～0.94的模擬結(jié)果符合實(shí)驗(yàn)值。相比之下，在恒定調(diào)制周期λ=40 nm時(shí)，η>ηC時(shí)，R=0.7的FS-MS模型擬合結(jié)果符合實(shí)驗(yàn)結(jié)果；在η<ηC時(shí)，R=0.8的模擬結(jié)果較好地符合實(shí)驗(yàn)值。這主要是由于與λ=40 nm的多層膜相比，λ=25 nm的多層膜中晶粒尺寸更小、晶界密度更高，使得λ=25 nm的晶界散射作用較為明顯。隨著調(diào)制比η的減小，晶界散射系數(shù)R不同程度地增大，模擬結(jié)果才能與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合，說(shuō)明不同調(diào)制比下符合實(shí)驗(yàn)結(jié)果的R值不同。η值越小，R值越大，說(shuō)明在恒定調(diào)制周期下，隨著調(diào)制比的減小，層內(nèi)晶界密度增大，晶界散射行為越明顯，從而使得電阻率增大。

圖4 不同調(diào)制比的Cu/Zr多層膜利用FS-MS模型計(jì)算的電阻率：(a) λ=25 nm，R=0.4～0.9; (b) λ=25 nm，R=0.9～0.95; (c) λ=40 nm，R=0.5～0.9Fig.4 Variations of electrical resistivity with different modulation ratios of the Cu/Zr multilayers calculated by the FS-MS Model: (a) λ=25 nm, R=0.4～0.9; (b) λ=25 nm, R=0.9～0.95;(c) λ=40 nm, R=0.5～0.9

實(shí)際上，調(diào)制比的變化使得層間界面也會(huì)發(fā)生一定的變化，導(dǎo)致不同程度的界面散射行為，從而造成對(duì)電阻率的影響。此時(shí)，反映界面散射效應(yīng)的鏡面反射系數(shù)P對(duì)電阻率的影響起到了重要作用。假定晶面散射系數(shù)R不變，根據(jù)圖4的擬合結(jié)果，選取較為符合實(shí)驗(yàn)結(jié)果的R值，即R=0.7(λ=25 nm)和R=0.8(λ=40 nm)，使鏡面反射系數(shù)P=0.1～1之間系列變化，計(jì)算Cu/Zr多層膜的電阻率，擬合結(jié)果如圖5所示。對(duì)于λ=25 nm的多層膜而言，在η>ηC時(shí)，F(xiàn)S-MS模擬結(jié)果符合實(shí)驗(yàn)結(jié)果；而在η<ηC時(shí)，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值偏差較大。這可能是由于在此條件下Zr層晶體結(jié)構(gòu)接近于非晶態(tài)所導(dǎo)致的。相比之下，對(duì)于λ=40 nm的多層膜，F(xiàn)S-MS模型在整個(gè)η范圍內(nèi)均可以較好的擬合實(shí)驗(yàn)結(jié)果。不難發(fā)現(xiàn)，隨著鏡面反射系數(shù)P值的增大，模擬結(jié)果的變化基本不大。這也表明，隨著調(diào)制比的變化，所制備的Cu/Zr納米多層膜的界面狀態(tài)變化不大，與TEM觀察到各多層膜均具有清晰的界面結(jié)構(gòu)是一致的。根據(jù)同種成分構(gòu)成的晶態(tài)和非晶態(tài)材料電子衍射相關(guān)知識(shí)可知，晶態(tài)材料比非晶態(tài)材料對(duì)電子有更高的散射強(qiáng)度，這表明在Cu/Zr納米多層膜中，當(dāng)Zr層接近非晶態(tài)(η>10)時(shí)，Cu層和Zr層所形成的晶體/非晶界面對(duì)電子散射強(qiáng)度勢(shì)必會(huì)下降，即多層膜界面散射系數(shù)的降低，從而導(dǎo)致多層膜電阻率的降低。

圖5 不同調(diào)制比的Cu/Zr多層膜利用FS-MS模型計(jì)算的電阻率(P=0.01～1)：(a) λ=25 nm; (b) λ=40 nmFig.5 Variations of electrical resistivity with different modulation ratios of the Cu/Zr multilayers calculated by the FS-MS Model (P=0.01～1): (a) λ=25 nm; (b) λ=40 nm

4 結(jié) 論

Cu/Zr多層膜具有Cu(111)和Zr(0002)的擇優(yōu)取向，界面清晰。Cu/Zr多層膜的電阻率表現(xiàn)出明顯的尺寸效應(yīng)，并存在臨界調(diào)制比ηC= 1。當(dāng)η>ηC時(shí)，電阻率隨著調(diào)制比的減小而緩慢增大，此時(shí)晶界散射和界面散射協(xié)同作用成為電阻率變化的主控機(jī)制。當(dāng)η<ηC時(shí)，隨著調(diào)制比的進(jìn)一步減小，電阻率急劇增大，此時(shí)晶界散射成為主導(dǎo)因素。電阻率與調(diào)制比的定量關(guān)系能夠通過(guò)FS-MS模型進(jìn)行較好的擬合。

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(編輯 惠 瓊)

Study on Modulation Structure and Resistivity of Nanostructured Cu/Zr Metallic Multilayers

ZHANG Guojun1，GUAN Zhiliang1，LI Jiao1，WANG Tao1，ZHANG Jinyu2

(1.School of Materials Science and Engineering, Xi’an University of Technology, Xi’an 710048, China)(2.State Key Laboratory for Mechanical Behavior of Materials, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China)

The Cu/Zr nanostructured metallic multilayers with constant modulation periods (λ= 25, 40 nm), covering a wide range of modulation ratioηspanning from 0.1 to 10.5, were deposited on the Si substrate by DC magnetron sputtering. By using the transmission electron microscopy and the four point probe method, the microstructure and size effects on the electrical resistivity (ρ) of Cu/Zr nanostructured multilayers were systematically investigated. It is revealed from the microstructural analysis that the modulation structure of Cu/ Zr metallic multilayers is clear and the interfaces are distinguishable. Both the modulation periodsλand the modulation ratioηsignificantly influence the resistivityρof Cu/Zr multilayers. The smaller is the modulation periodsλ, the greater is the resistivityρ. Above a critical modulation ratio (ηC≈1) the resistivity is independent on the modulation ratio, below which the resistivity sharply increases with decreasing the modulation ratio. The combined Fuchs-Sondheimer and Mayadas-Shatzkes (FS-MS) model can be used to fit the experimental data well. It is found that whenη>ηC, the resistivity of Cu/Zr multilayers is determined by the cooperative effect of grain boundary scattering and interface scattering; Whenη<ηC, the resistivity of Cu/Zr multilayers is mainly determined by grain boundary scattering.

nanostructured multilayers; grain boundary; interface; resistivity

2016-08-30

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51371141)

張國(guó)君，男，1974年生，教授，博士生導(dǎo)師，Email: zhangguojun@xaut.edu.cn

10.7502/j.issn.1674-3962.2017.05.05

TB383.1

A

1674-3962(2017)05-0352-06