纳米柱状ZrCu薄膜金属玻璃的机械与电学性能调控及其在柔性电子中的应用

研究人员通过磁控溅射技术制备了纳米柱状ZrCu薄膜金属玻璃(TFMGs)，系统研究了柱状尺寸(16-60 nm)对材料机械性能和电学性能的影响。实验表明，通过调控柱状结构可显著提高裂纹起始应变(最高达1.6%)并优化电阻率(285.9-570.0 μΩ×cm)，为柔性电子器件设计提供了新型功能材料解决方案。

　　

在柔性电子技术快速发展的今天，传统半导体材料面临着弹性变形能力有限、导电稳定性不足等挑战。薄膜金属玻璃(Thin Film Metallic Glasses, TFMGs)因其独特的非晶结构和优异的力学-电学协同性能，被视为新一代柔性电子器件的理想候选材料。然而，如何精确调控TFMGs的微观结构以实现性能优化，一直是该领域亟待解决的关键科学问题。

来自德国卡尔斯鲁厄理工学院(Karlsruhe Institute of Technology)的研究团队在《Thin Solid Films》发表的最新研究中，创新性地采用磁控溅射技术制备了具有可控纳米柱状结构的ZrCu TFMGs。研究人员通过调节工作压力(2.8×10^-1至8×10^-1 Pa)、靶材功率等参数，成功实现了柱状尺寸从16 nm到60 nm的精确调控，并系统研究了微观结构演变对材料性能的影响规律。

研究主要采用了四种关键技术方法：(1)射频/直流磁控溅射制备不同柱状尺寸的样品；(2)飞行时间二次离子质谱(ToF-SIMS)进行示踪扩散实验；(3)柔性基底拉伸测试结合共聚焦显微镜原位观测；(4)范德堡法测量电阻率。所有样品均沉积在Kapton?柔性基底和硅片上，厚度统一控制为400 nm。

【微观结构表征】
扫描电镜显示纳米柱状结构随沉积参数变化呈现规律性演变：低工作压力(2.8×10^-1 Pa)形成均质薄膜，而高压(8×10^-1 Pa)下则产生明显柱状结构。XRD证实所有样品均保持完全非晶态，但高Cu含量样品(68.69 at.%)的散射峰向高角度偏移，表明Cu-Cu短程有序结构增加。

【扩散行为】
Fe示踪实验揭示纳米柱状薄膜的扩散系数(3.1×10^-17 cm²/s)比均质样品(5.9×10^-18 cm²/s)高一个数量级，证实柱间界面存在快速扩散通道，同时排除了宏观裂纹的存在。

【力学性能】
拉伸测试显示裂纹起始应变(COS)与柱状尺寸呈正相关：16 nm样品仅0.8%，而60 nm样品提升至1.6%，甚至超过均质样品(1.35%)。这种反常现象归因于大尺寸柱状结构中Cu-Cu强键比例增加和界面密度降低的双重作用。

【电学性能】
电阻率测试表明纳米结构引入显著影响导电性：16 nm柱状样品的电阻率(570.0 μΩ×cm)是均质样品(189.2 μΩ×cm)的3倍，而60 nm样品(285.9 μΩ×cm)显示出适中的折衷性能。这种尺寸效应主要源于柱间界面处的电子散射增强。

该研究通过建立"工艺参数-微观结构-性能"的定量关系，证实纳米柱状结构设计可有效协调TFMGs的力学-电学性能矛盾。特别是60 nm柱状样品展现出1.6%的优异COS和285.9 μΩ×cm的合理电阻率，这种性能组合使其在可穿戴传感器、柔性加热膜等领域具有明确应用前景。研究还开创性地提出通过柱间界面合金化进一步优化性能的新思路，为发展下一代高性能柔性电子材料提供了重要理论指导和技术途径。