随着现代半导体技术的发展，集成电路中金属互连线以及电极的特征尺寸正在向10纳米逼近。在这样小的尺度下，作为基础框架的金属形态还能像块体材料那样稳定吗？若有明显差异，如何保障在如此小尺度下电子器件物理性能的稳定性？这一问题向现代集成电路产业提出了理论和技术的挑战。
近日，东南大学孙立涛教授、麻省理工学院李巨教授、匹兹堡大学毛星源教授以及浙江大学电子显微镜中心张泽院士领导的团队通力合作，在张泽院士领衔的国家重大仪器项目中，发展了一种原位电子显微技术，并以此在国际上首次观察到10纳米以下金属银纳米晶体颗粒在室温下的类液态形变行为。论文以“Liquid-like pseudoelasticity of sub-10-nm crystalline silver particles”为题在最新一期《Nature Materials》杂志上在线发表，并被选为封面论文。
以该项研究成果为背景的《Nature Materials》杂志封面
室温下，这种尺度为10nm以下纳米晶体银颗粒在挤压、拉伸等外力作用下，会象揉面团那样柔软，甚至象液态那样任意变形；更为奇特的是，外力撤除后，纳米颗粒可以像电影“终结者3”中的液态金属人那样，自动恢复其原形！这种奇特的纳米颗粒塑性形变，超越了传统的金属物理中位错等缺陷导致的塑性形变理论，在变形的整个过程中颗粒内部始终保持着完好的晶态结构，根本不是体内位错的移动而导致的形变。实验和理论计算表明，这种变形事实上是通过纳米银颗粒表面的一两层原子扩散以降低表面能来实现的，类似于Coble蠕变。不同的是，这种塑性变形又是赝弹性，即可恢复原形的。这一发现，暗示随着金属颗粒尺寸减小，经典的Hall-Petch规律中“越小越强”不再适用，会逐渐过渡到“越小越弱”。同时，这项工作对于如何维持下一代纳米电子器件中的互连线和电极的稳定性，以及如何实现超小尺寸的微纳加工工艺，有着重要的指导意义。
本研究成果得到了国家自然科学基金、国家“973”计划等项目的共同资助。