多元高熵合金薄膜簡介

 

蔡篤承博士

國立中興大學材料科學與工程學系

 

一般傳統合金是以一種金屬為主，使其只形成一種固溶基體為主相，若合金元素種類較多時易產生金屬間化合物，使合金性能變差。而由多主元素組成的高熵合金(定義高熵合金須具有五個以上主要元素，且每個主元素原子百分比應介於5%至35%，而每個次要元素則小於5%。) 因為高熵效應增進了元素間的相容性，從而避免發生相分離而導致合金中端際固溶體或金屬間化合物的生成，使高熵合金通常只形成幾種固溶體或者甚至單一相，不但較容易分析，且更具應用性 [1, 2]；除此之外，由於高熵合金是由多種不同大小和化學性質的元素所組成，因此必然會造成嚴重的晶格應變和遲滯擴散，有利於增加合金的強度跟結構穩定性。高熵合金是台灣在國際材料研究學術領域中極少數能夠居於領先地位的項目，所展現特殊多元化的物理或機械性質，目前已受到各國學者的注目，更已應用在鍍膜領域上。

多元高熵合金薄膜的製備由於元素組成多而複雜，若要成長出高品質的薄膜，最簡單的方式則是直接使用真空電弧熔煉法或粉末冶金法製作靶材，然後以磁控濺鍍法製備高熵合金薄膜；直至目前已能證明若能藉由適當的合金材料設計，結合高熵合金特殊性質，便能擴展其薄膜應用價值。在大部份的研究中，高熵合金薄膜通常具有非晶質結構，高的熱穩定性和優越的機械性質，其中ZrTaTiNbSi薄膜即使退火至1173 K，仍維持非晶質結構(圖一)[3]，具有極高的玻璃形成能力；將其應用於銅製程擴散阻障層上，在溫度高達1073K下，銅膜仍未失效，表現出相當優異的阻障能力(圖二)[4]，為IC銅製程提供了突破性的發展。除此之外，高熵合金薄膜也已經開始被應用在腐蝕工業[5]以及生物相容性測試上[6]。由以上介紹可預見其所展現出的優良特性將對未來工業帶來極大助益。

 

圖一、ZrTaTiNbSi薄膜於不同溫度退火後之X-ray圖。[3]

 

圖二、Cu/ZrTaTiNbSi/Si疊層薄膜於1073 K退火之TEM圖。[4]

 

參考文獻