W/Au纳米多层膜在软脆半导体上的制备与性能研究：界面调控强化机制与力学性能优化

本文采用双离子束溅射沉积技术在HgCdTe衬底上制备了不同调制周期（20-160 nm）的W/Au纳米多层膜，通过X射线衍射（XRD）、扫描电镜（SEM）和纳米压痕测试揭示了其晶格结构与力学性能的关联性。研究发现，随着调制周期减小，薄膜硬度遵循Hall-Petch关系最高达4.98 GPa，弹性模量降低但弹性变形能力（H/Ef）和抗塑性变形能力（H3/Ef2）显著提升，为软脆半导体器件（如HgCdTe探测器）的电极保护提供了新材料解决方案。

　　

Highlight

W/Au纳米多层膜展现出独特的力学增强效应：当调制周期（Λ）减小至20 nm时，硬度达到峰值4.98 GPa，完美符合Hall-Petch关系。更令人振奋的是，薄膜在较小Λ下表现出卓越的弹性变形能力（H/E_f）和"装甲级"抗塑性变形能力（H3/E_f2）！不过，临界突入载荷（critical pop-in loads）的降低也提醒我们：在追求性能突破时，仍需关注薄膜与软脆半导体衬底的兼容性问题。

Results and discussion

XRD图谱（图2a）显示，所有W/Au多层膜均呈现Au(111)和W(110)择优取向，宛如精心编排的晶体交响乐。特别有趣的是，在Λ=40 nm和60 nm的薄膜中，我们捕捉到β-W相（002）的微弱信号——这个"调皮"的亚稳态相的出现，暗示着调制周期对钨沉积行为的微妙调控。

SEM观测揭示：薄膜层状结构清晰致密，仿佛纳米尺度的千层蛋糕。当Λ减小时，晶粒尺寸明显收缩，这归因于界面密度增加对晶界迁移的抑制作用。纳米压痕测试数据更上演了"小尺寸大能量"的戏码：20 nm周期薄膜的硬度比160 nm样品提升约35%，而弹性模量却呈现反向变化趋势，这种"刚柔并济"的特性使其特别适合保护HgCdTe等软脆半导体。

Conclusions

通过双离子束溅射技术，我们在HgCdTe衬底上成功制备出具有梯度调制周期的W/Au纳米多层膜。这些薄膜不仅展现出Λ依赖的力学性能调控规律，其优异的H/E_f比值与塑性指数（W_p/W_t）的线性关系，更为设计新型半导体保护涂层提供了量化依据。值得一提的是，钨的辐射耐受性赋予该体系潜在的多功能特性，未来或将在光电探测器、辐射传感器等领域大放异彩。