综述：理解机械热性能优异的纳米孪晶铜：制备工艺、机理模型与技术应用

这篇综述系统阐述了纳米孪晶铜（nt-Cu）的制备方法（如电沉积、磁控溅射）、多尺度力学模型及其在微电子互连和锂离子电池负极等领域的应用优势。通过信息学驱动的文本挖掘和可视化技术，揭示了nt-Cu通过Σ3{111}共格孪晶界（CTB）实现强度-延展性协同增强的机理，其孪晶间距（λ<100 nm）和取向调控是突破传统材料性能瓶颈的关键。文章特别强调了直流电沉积（DC）和脉冲电沉积在制备(111)取向nt-Cu薄膜中的工艺优化策略，为高密度互连和3D封装提供了材料解决方案。

　　

纳米孪晶铜的制备科学

纳米孪晶铜（nt-Cu）通过引入Σ3{111}共格孪晶界（CTB），在保持高电导率的同时实现了强度与延展性的协同提升。与传统粗晶铜（cg-Cu）相比，nt-Cu的孪晶间距（λ）控制在1-100 nm范围内时，其屈服强度可达900 MPa，远超常规强化方法的极限。

机械性能突破

nt-Cu的强化机制源于孪晶界对位错运动的独特调控：

1. 1.

   纳米尺度孪晶（λ<15 nm）通过限制位错滑移和促进交滑移，实现高达1068 MPa的抗拉强度；

2. 2.

   柱状晶nt-Cu在拉伸实验中表现出不均匀塑性变形，而等轴晶nt-Cu（晶粒尺寸2-20 μm）通过多重滑移系激活实现更高均匀延伸率；

3. 3.

   原位TEM观察显示， Shockley不全位错在孪晶界处的反应是塑性变形的主要载体。

热稳定性机制

nt-Cu在300°C退火后仍保持结构稳定性，归因于：

1. 1.

   低界面能（约普通晶界的1/10）的CTB抑制晶界迁移；

2. 2.

   退火过程中亚稳态纳米晶向稳定孪晶结构的转变；

3. 3.

   厚度>5 μm的nt-Cu薄膜在350°C以下无异常晶粒长大。

电沉积工艺优化

直流电沉积制备nt-Cu的关键参数包括：

• •

  电解液组成：CuSO₄（0.8M）+H₂SO₄（50 g/L）+Cl^-（50 ppm）

• •

  添加剂：明胶（5-100 ppm）和PEG可调控(111)织构强度

• •

  工艺窗口：电流密度20-80 mA/cm²，搅拌速率600-1200 rpm时获得λ≈20-50 nm的致密孪晶

技术应用前景

nt-Cu在微电子领域的独特价值体现在：

1. 1.

   硅通孔（TSV）填充中实现15:1的高深宽比；

2. 2.

   微凸点互连的剪切强度比普通Cu提高50%；

3. 3.

   抗电迁移能力达传统材料的10倍以上，适用于5G高频信号传输。

计算模拟进展

分子动力学（MD）模拟揭示：

1. 1.

   孪晶间距λ=10 nm时，位错-孪晶界相互作用主导塑性变形；

2. 2.

   相场模型成功预测退火过程中(111)→(200)织构转变的临界温度为250°C；

3. 3.

   晶界能（σ_GB）与孪晶界能（σ_TB）比值决定异常晶粒生长动力学。

未来研究将聚焦于nt-Cu在异质集成系统中的界面行为调控，以及原子尺度制造工艺的开发。