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1、昆明理工大学博士研究生学位论文 开题报告,拟定论文题目几种难混溶体系薄膜材料的微观结构及性能研究 答辩人：郭中正 导师：孙勇教授,昆明理工大学博士学位论文开题答辩,昆明理工大学博士学位论文开题答辩,选题的研究动态及现状,主要内容,选题的科学性和创新性,前期研究及有益结果,研究内容和方案,昆明理工大学博士学位论文开题答辩,薄膜技术优势及应用,薄膜技术可实现材料自由设计、重构和人工剪裁，化学计量比在宽范围可控，是探索物质秘密、分析物质特异成份、组织及结构和使器件微型化的重要手段，对热动力学、均质化及稳定性研究将极具意义，便于实现功能复合型、轻量节能化，满足现代新材料要求； 将传统金属、半导体、陶瓷
2、及高分子材料用膜技术进行制备或组合，制成特定性能材料是重要研发手段； 由尺度在几纳米至几十纳米的颗粒（晶粒）构成的或含有纳米颗粒的纳米薄膜，以及层厚在纳米尺度量级(1-100nm)的单层或多层纳米层状薄膜，有与粒子尺度、形态、分布、界面构型和层厚等微观结构密切关联的特异性能 在金属或含金属薄膜方面 ，亦展示出广阔研究空间和应用前景，膜技术对开发具有优越光、电、磁、机械性能的功能和结构材料有积极意义。,昆明理工大学博士学位论文开题答辩,金属或含金属薄膜的一些特殊性质,Cu、Al、Ti、Fe膜,电磁响应效应,昆明理工大学博士学位论文开题答辩,难混溶合金(immiscible alloy)系种类达5
3、00种以上，许多合金若以适当方法得到合理组织结构：常指“弥散分布镶嵌第二相基体”的均匀化双重(duplex structure)结构，可表现特殊性质； 特点：同类原子间的键合力高于异类间原子，Hsolmix、Hliqmix均为正值，常规技术条件下液态即出现富集不同组元的两液相构成的游动集团并伴随偏晶反应，熔体微观不均匀将导致严重偏析，第二相难于均匀分布于基体中甚或出现两相分层而使材料丧失性能和应用价值； 两个研究方向：1.针对上述现象，寻求使偏晶合金均质化的机理和工艺以拓展应用，诸因素的作用程度及完整液-液分离机制尚待澄清;2.运用薄膜技术进行重构与剪裁，开发新材料，突破传统熔铸工艺的局限。,
4、难混溶合金研究及应用,昆明理工大学博士学位论文开题答辩,难混溶合金研究及应用,热壁,冷壁,昆明理工大学博士学位论文开题答辩,固体薄膜制备技术,昆明理工大学博士学位论文开题答辩,薄膜技术为难混溶体系的研究和应用提供了更广阔的空间和更有力的手段，事实表明许多该体系薄膜材料表现了诸多优越性能并已获应用； 基于溅射(Sputtering)和热蒸发(Thermal Evaporation)技术的蒸汽淬火(Vapor Quenching, VQ)法，与快速凝固、机械合金化、离子注入等典型非平衡过程相似，涉及气相到固相凝华的超急冷过程，有着其高于108K/S的固有冷却速率，可能使原子缺乏足够扩散重组而形成利
5、于均质化的亚稳或非晶合金。,表1 几种非平衡过程对比,昆明理工大学博士学位论文开题答辩,薄膜技术制备难混溶系材料,薄膜技术使难混溶系材料性能的获得除双重结构外，还可有其余形式，如两组元呈层状分布。虽有叠轧技术，层状结构较易通过膜技术实现 适当控制即可获较理想化的、避免层间反应的完整、“清洁”、锐利(sharp)界面，使界面处性质突变，克服一般金属膜在较低温度下互扩散形成固溶体或金属间化合物的缺点 溅射法可制备多数物质，对涉及高熔点金属研究有利 可形成亚稳、非晶合金及一定程度固溶体；观察到难混溶混溶互转变的尺寸及表面效应，具较大理论意义 溅射法工艺稳定，研究结果可为产业化提供直接依据 薄膜技术用
6、于该系材料研究，有广阔理论发展空间和新现象、新功能的发现潜力,昆明理工大学博士学位论文开题答辩,薄膜技术制备难混溶系材料,昆明理工大学博士学位论文开题答辩,Al-Pb难混溶材料研究现状,表2 Al-Pb难混溶合金制备工艺研究简介,昆明理工大学博士学位论文开题答辩,Al-Pb难混溶材料研究现状,表3 Al-Pb难混溶合金理论研究简介,昆明理工大学博士学位论文开题答辩,Al-Pb难混溶材料研究现状,表4 Al-Pb难混溶系薄膜研究,昆明理工大学博士学位论文开题答辩,(1)理论研究方面，侧重于对传统方法如RS、MA等得到的试样进行研究，薄膜和表面改性制样方面，除CR、VD、IP外，其余涉及较少(2)
7、理论研究尽管较深，但结果对既有工艺的改进有限；CR制膜须伴随多次退火，IP制备二维材料或改善试样整体性能可能性较小 (3)潜在新功能的发现和设计亟需加强研究。难混溶系现已知多达500余种，而原因常是组元某些理化性质差异，这是互补与耦合的重要条件，其组合潜含特殊性质有待发掘，该体系蕴藏着高新材料广阔开发潜力，辅以薄膜技术，充满巨大创新空间,难混溶材料研究存在的问题,昆明理工大学博士学位论文开题答辩,选题的科学性和创新性,科学性:(1) 对性质相异而有互补性的材料进行复合，是开发新型特殊功能材料的重要方法； (2)颗粒膜、叠层膜构成技术可实现任意人工剪裁、耦合 (3)难混溶材料组元理化性能差异,表
8、5 单体组合构成的复合材料性质,昆明理工大学博士学位论文开题答辩,(1)材料设计创新，选取性能有优势互补性的组元进行设计、复合和剪裁，制备特殊性能材料，如用于金属半导体接触的导电膜、微波及传感膜、减磨膜、薄膜电极、电阻等；或对既有材料再设计，调整结构或组合，实现优化或轻量高效 (2)研究对象创新，以VQ法制备难混溶系薄膜为主要对象，区别于以往在MG条件下或以RS、MA、IP等制样，丰富完善理论认知 (3) 提高均质化程度，理论预测固溶度，研究合金的扩散、体构型变化及结构稳定性 (4)完善膜设计的方法学，结合模拟建立组元工艺膜成份与结构性能间的确切关系并建立相关模型,选题的科学性和创新性,昆明理
9、工大学博士学位论文开题答辩,Al(30nm)/Pb(30nm)2BFI及SADP,Pb层增至30nm时，覆盖度0.8，完整、连接性较好，欲形成界面较完整的多层膜，Pb层厚应大于35-40nm 中心透射斑光晕明显减小而清晰，多晶环线形精细更易辨，Pb单层连接变好，使Al、Pb间界面清晰化，电子波在膜层中的路径趋于模型化,Al(20nm)/Pb(20nm)2BFI及SADP,昆明理工大学博士学位论文开题答辩,前期研究及有益结果,层状结构的获得与控制,Al /Pb交替沉积薄膜设计示意,Al (45nm)/Pb(45nm)1薄膜XPS谱,Pb (45nm)/Al(45nm)1薄膜XPS谱,两种交替模式
10、下薄膜表面元素含量,Pb层位于Al层上时，有较好覆盖力，Al层表面起伏小，形貌遗传效应弱,后续层易医治形貌起伏，反之，Al层覆于Pb上时，有Pb突起峰露头,昆明理工大学博士学位论文开题答辩,前期研究及有益结果,层状结构的获得与控制,Al-Pb膜BFI(105000)及SADP,Al膜(左上)、Pb膜(左下)AFM 像, Pb表层起伏高于Al薄膜,昆明理工大学博士学位论文开题答辩,前期研究及有益结果,层状结构的获得与控制,沉积时基本凝并和吸附示意,磁控Al-Pb, Al-Sn减磨涂层结构,根据左上图示的沉积模型，迁移性强的软组元Pb将因表面扩散和体扩散而凝聚，形成Pb粒子镶嵌于Al的双重结构，即
11、使交替沉积时亦如此 但上述实验证实了对迁移性一强一弱的难混溶系，层状结构是可获得的，为薄膜功能性的实现提供了基础,昆明理工大学博士学位论文开题答辩,前期研究及有益结果,电磁性能测试,Al (30nm)/Pb(30nm)16的 反射谱(左上)和透射谱(右上),Al/Pb纳米多层膜从紫外 可见光近红外区的吸收谱样品在300-2500nm波长范围内，镜面 反射率R趋于0，透射率T也趋于0，吸收率A在3.0-4.5间。膜层可能有电磁 功能特性,昆明理工大学博士学位论文开题答辩,全面考察X、Y组元的物理化学性质，利用有益互补性(诸如高导电与高导磁、强衰减与弱衰减、良导热与良导电、高导电与耐高温、强剪切抗
12、性与弱剪切抗性、高热膨胀性与高导电性、磁性与非磁性、磁效应与光效应等)，研究组合优势，探索特殊性能材料的组合与成份,研究内容,、几类(X-Y)难混溶体系选择,、薄膜溅射工艺研究与优化,以Al-Pb系为代表，探讨膜沉积的共性问题：衬底种类和表面清洁状态、基片温度、基片偏压、沉积率、工作气体压强等参量对形核和生长过程、结晶状态、微观结构、孔隙率、附着力和最终性能的影响 主要工作模式(共沉积和交替沉积)下薄膜生长机理，交替沉积时单层、子层的厚度、完整连续性和界面结构、粗糙度的控制 测试薄膜性能，得出工艺参数对薄膜结构与性能的影响程度与机理并优化参数；探索进行工艺参数膜结构性能间关系研究时所遵循的范式
13、,昆明理工大学博士学位论文开题答辩,薄膜组元的取向、形态、尺度及粒子的运动和形貌演化，薄膜应力、界面结构和晶格驰豫现象的研究 结构稳定性(热处理、常规和特殊环境下的时效、高能射线辐照等对晶粒、粒状弥散和层状结构及宏观性能稳定性的影响，及镶嵌或夹层约束下组元晶体的过热现象和机理) 冷衬底沉积、高工作气压溅射、高速率沉积、共沉积淬火、杂质稳定化等可细化粒子而增进均质化程度的方法对所选体系的效果，难混溶系合金薄膜细观结构和均质化机理,利用分子动力学(MD)方法结合SC势、经验与半经验粘合势、EAM、MAEAM势、半经验密度泛函势等模拟，与实验现象进行对比，对薄膜结构及其变化进行理论解释,、薄膜微观结
14、构与均质化研究,、计算模拟,提高可重复性，澄清工艺参数膜成份与结构性能间的确切关系并建立模型，为实用化奠定理论和技术基础,、工艺、性能稳定化,昆明理工大学博士学位论文开题答辩,试验方案示意,昆明理工大学博士学位论文开题答辩,必备实验条件、设备,昆明理工大学博士学位论文开题答辩,预期结果,1、制备几类有特殊性能的难混溶系薄膜,可重复性和稳定性高,为功能材料领域提供更多选择 2、获得工艺对形核生长、微观结构和最终性能的影响规律和机理;薄膜生长和结构控制,优化设计和参数 3、寻求薄膜微观现象及外界对微结构及宏观性能稳定性影响的机理、增进均质化的方法，完善理论认知 4、工艺、性能的稳定化，澄清组元工艺膜成份与结构性能间的关系并建立模型 5、在国内外核心期刊上发表高水平学术论文3篇以上,谢 谢 ！,谢谢各位老师莅临指导！,
