Cu@Ag核壳纳米金属颗粒合成与烧结机理研究

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Cu纳米金属颗粒烧结体具有优良的导电、散热性能,是目前IC产业重点关注的电热传输材料,尤其适用于柔性电路制造以及大功率半导体器件的封装互连。然而Cu纳米金属颗粒在空气气氛下烧结时容易氧化失效,使得其烧结成形工艺需要在高真空或还原性气氛下进行,严重地制约了其规模化应用。本文通过Cu纳米金属颗粒表面包覆Ag膜,合成出具有高氧化抗性与低温烧结性能的Cu@Ag核壳纳米金属颗粒,探索了颗粒在空气与真空条件下的烧结机制,为其产业应用提供了必要的科学依据和理论基础。本文通过对比乙二醇、抗坏血酸、油胺为还原剂的Cu纳米金属颗粒合成工艺,发现以油胺为还原剂制备的Cu纳米金属颗粒具有颗粒产率高、球形度好、粒径分布范围窄(20-26nm)、分散性能佳等特点。以此为基础,继续采用油胺还原体系,开发出Cu@Ag核壳纳米金属颗粒“一锅法”连续合成工艺,制备出颗粒尺寸可控(12-18nm)、包覆层均匀且厚度可调、分散性能好、抗氧化能力佳(100℃仍未氧化)的Cu@Ag核壳纳米金属颗粒。最终制得了兼具高氧化抗性与低温烧结特性的Cu@Ag核壳纳米金属颗粒浆料。其次,本文揭示了“一锅法”连续合成工艺参数对Cu@Ag核壳纳米金属颗粒微观结构的影响规律,当Cu源/Ag源=4:1(摩尔比)时,纳米金属颗粒粒径最为均一,抗氧化性能最佳,同时较低的Ag含量显著降低了成本。利用变温X射线、热重-差示扫描量热法-质谱联用测试技术探究了 Cu@Ag核壳纳米金属颗粒在空气氛围下的氧化抗性及宏观烧结机制。研究发现:Cu@Ag核壳纳米金属颗粒的氧化分为两个阶段,第一阶段Cu氧化为Cu2O,Ag在150-160℃开始烧结并脱离Cu核表面,Cu核在237.5℃左右存在烧结现象;第二阶段Cu2O氧化为CuO,此时Ag壳层已经完全脱离Cu核表面。再次,本文利用原位加热透射电子显微技术阐明了 Cu@Ag核壳纳米金属颗粒在真空条件下纳米尺度的烧结机制。研究发现:由于表面能与界面能协同作用,当单颗粒烧结时,壳层Ag原子和芯部Cu原子将通过表面扩散形成过饱和固溶体,并随加热温度进一步升高而转变为富Ag-富Cu两相分离半球结构;当双颗粒烧结时,颗粒将首先在接触区形成烧结颈,Ag原子与Cu原子可通过烧结颈持续扩散迁移,形成哑铃状富Ag区和富Cu区;当多颗粒烧结时,由于颗粒烧结导致孔隙度下降,致密化程度持续增加,Ag原子大块聚集区将最终镶嵌于Cu原子聚集区内,形成稳定的烧结体。
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