通过室温键合技术在铋碲化合物与铝界面处形成的独特成分分布研究及其在热电模块互联中的应用意义

《Applied Surface Science Advances》：Unique compositional profile at the interface between Bi 2Te 3 and aluminium produced via room-temperature bonding

为解决传统高温焊料连接Bi2Te3基帕尔帖元件时因低温脆性与厚脆界面反应层导致的可靠性问题，本研究通过表面活化室温键合技术实现了Bi2Te3与铝导线的直接连接。结果表明，界面处形成了由含Te纳米晶层（Al侧）与含晶态纳米颗粒的非晶Al2O3层（Bi2Te3侧）组成的双层结构，揭示了氧扩散驱动的选择性氧化机制。该研究为低温、无焊料的热电材料集成提供了新思路，有助于提升超导直流输电系统中电流引线连接的长期可靠性。

　　

在超导直流输电（Superconducting Direct Current transmission）系统中，Bi₂Te₃基帕尔帖（Peltier）电流引线被用于有效减少热泄漏。然而，系统中连接点的可靠性一直是个棘手难题。传统方法使用无铅焊料进行连接，但锡基无铅焊料的韧脆转变温度约为253开尔文（即约-20°C），在低温环境下容易变脆。更麻烦的是，焊接过程所需的高温会促使界面形成厚而脆的反应层，从而显著降低连接强度。因此，高温焊接工艺被视为Bi₂Te₃基模块失效的主要根源之一。为了应对这一挑战，业界曾积极探索引入镍磷（Ni-P）、钴磷（Co-P）或钛（Ti）等扩散阻挡层，但根本的解决之道仍在于降低连接温度，以抑制脆化并提升连接可靠性。

在此背景下，发表于《Applied Surface Science Advances》的一项研究另辟蹊径，将目光投向了“表面活化室温键合”（surface-activated room-temperature bonding）技术。该技术在真空环境中去除表面氧化层，形成原子级直接的界面，从而获得低电阻的连接。研究人员成功实现了Bi₂Te₃热电元件与铝（Al）导线在室温下的直接键合，并深入分析了所形成的独特界面结构与成分分布，揭示了其背后的形成机制。这项研究不仅验证了该材料组合室温键合的可行性，更为开发高性能、高可靠性的低温互联技术提供了新的见解。

本研究采用了几项关键技术方法。首先，样品制备阶段对Bi₂Te₃和铝进行了精细的机械抛光和电解抛光，以获得纳米级平整的表面。其次，研究在超高真空（UHV）环境中，利用快原子束（Fast-Atom Beam, FAB）源对样品表面进行辐照清洁与活化，随后在18兆帕（MPa）的接触压力下实现室温键合。最后，为了表征界面，研究综合运用了环形暗场扫描透射电子显微镜（ADF-STEM）、高分辨率透射电子显微镜（HR-TEM）和能量色散X射线光谱（EDS）进行微观结构观察与元素成分分析。

研究结果

3.1. 表面粗糙度

通过优化抛光工艺，Bi₂Te₃的表面粗糙度从抛光前的14.5纳米（均方根，RMS）显著降低至抛光后的2.5纳米，实现了纳米级的平整度，为后续键合创造了条件。

3.2. 快原子束辐照对Bi₂Te₃表面的影响

X射线光电子能谱（XPS）分析显示，经过1分钟的氩（Ar）快原子束辐照后，Bi₂Te₃表面的氧（O）和碳（C）污染峰消失，获得了清洁、活化的表面。

3.3. 键合界面的微观结构

ADF-STEM和HR-TEM观察显示，铝和Bi₂Te₃紧密粘附，界面处形成了一个独特的双层结构：靠近铝侧是一层约2纳米厚的结晶层（称为layer-1），而靠近Bi₂Te₃侧则是一层4.5至6纳米厚的非晶层（layer-2），后者内部还散布着结晶纳米颗粒。

3.4. 键合界面的元素浓度分布

EDS元素面扫描和线扫描分析揭示了跨越界面的不寻常成分分布。从铝侧开始，依次观察到铝、碲（Te）偏聚区、铝氧化物（Al+O）区，最后是Bi₂Te₃。其中，Te在界面处出现一个明显的浓度峰。

3.5. 界面处的化合物

通过叠加铝和氧的浓度曲线，并考虑Al-O体系中唯一的稳定相，研究人员确认界面处的化合物为Al₂O₃（氧化铝）。在Te偏聚区，Te的浓度甚至超过了铝。

3.6. 氧的分布机制

研究发现，烧结Bi₂Te₃块体中存在约1.3原子百分比的氧污染，这被认为是界面Al₂O₃层中氧的来源。通过理论估算，室温下氧在Bi₂Te₃中的扩散距离足以支持氧从块体内部扩散至界面并与铝反应生成氧化铝。

3.7. 铝和Al₂O₃之间碲偏聚的机制

为了解释Te偏聚现象，研究者提出了一个反应扩散机制。当铝与Bi₂Te₃接触时，由于热力学稳定性，两者反应在界面处优先形成一层薄薄的Al₂Te₃层。随后，来自Bi₂Te₃块体中的氧扩散至该界面，优先氧化Al₂Te₃层中的铝，形成Al₂O₃。当氧供应不足以完全氧化Al₂Te₃层时，靠近铝侧的Al₂Te₃则保持未氧化状态，从而在铝和Al₂O₃之间留下了Te的偏聚。这一过程也导致了界面处Bi₂Te₃中Te的消耗和Bi浓度的相对升高。

研究结论与重要意义

本研究成功利用表面活化技术实现了Bi₂Te₃帕尔帖元件与铝导线在室温下的直接键合，避免了传统高温焊接带来的热应力损伤。界面分析揭示了一种新颖的非均匀结构：铝侧为纳米级晶态反应层，Bi₂Te₃侧为非晶氧化铝层内含晶态纳米颗粒。研究提出的机制指出，初始的热力学稳定相Al₂Te₃形成后，由Bi₂Te₃块体内部扩散而来的氧驱动了铝的选择性氧化，从而形成了复杂的非对称成分分布。这项工作从原理上验证了热电材料无焊料键合的可行性，为开发低损伤、高可靠性的低温互联技术奠定了重要基础，对未来超导系统及其他精密电子器件的可靠集成具有指导意义。