[发明专利]一种具有(110)取向的纳米孪晶铜材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种具有(110)取向的纳米孪晶铜材料及其制备方法，该纳米孪晶铜材料包括等轴晶组织和条状组织，在该纳米孪晶铜材料底部为所述等轴晶组织，其平均晶粒尺寸在300‑900nm之间；随着该纳米孪晶铜材料厚度的增加，所述条状组织出现；所述条状组织中单体的长宽比为1∶100以上，所述条状组织中含有孪晶片层，所述孪晶片层的孪晶平面垂直于生长平面，具有(110)取向，且所述孪晶片层的平均厚度为150nm以下。本发明通过采用直流电解沉积技术，制备出具有高密度孪晶且孪晶平面垂直于生长平面的纳米孪晶铜材料，该纳米孪晶铜材料具有(110)取向，能够在兼具孪晶界高热稳定性和导电性的同时获得更大的强度和韧性。

技术领域

本发明涉及电解铜材料制备技术领域，尤其是一种具有(110)取向的纳米孪晶铜材料及其制备方法。

背景技术

电解铜材料是目前电子电路、锂离子电池等领域不可或缺的材料。在电子电路领域，电互连是超大规模集成电路和纳米机电设备的重要组成部分，它们需要高导电性、强而稳定的导线。新兴的三维集成电路技术还需要在垂直堆叠的集成电路芯片之间通过硅通孔布线系统进行信号传输、供电和散热，这些导线必须通过电介质包围的结构以高纵横比沉积。在锂离子电池中，铜箔被广泛用作锂离子电池阳极的集电器，在充放电期间，石墨被用作阳极时膨胀约13％，硅被用作阳极时体积可以显著增加到300％，这可能会导致普通电解铜箔失效。因此，要解决上述问题，必须在获得铜高导热及导电特性的同时提高铜箔力学性能。

通常，铜箔可以通过固溶/沉淀硬化、应变硬化和晶粒细化进行强化。然而，由于畸变的晶格和晶界诱导的电子散射，这些强化方法不可避免地降低了电导率。纳米烧结铜箔可以提高材料的机械强度，保持材料良好的延展性和导电性，然而在极限抗拉强度和热稳定性方面不符合要求。纳米孪晶强化被广泛认为是金属的第五种强化机制。研究表明，纳米孪晶铜箔中致密的纳米级∑3共格孪晶界能够提高铜金属的热稳定性，抗电迁移性和耐腐蚀/氧化性等。此外，纳米孪晶铜在强度/韧性得到提高的同时，能够保持铜优异的导电性。纳米孪晶铜的上述突出性能，使其在先进电子工业、新能源、5G电信装备及柔性可穿戴设备等领域应用前景广阔。

考虑大规模制备的便捷性和低成本，目前纳米孪晶铜材料主要采用电镀的方法进行制备，制备的铜材料具有柱状晶，强(111)织构并且孪晶平面与沉积表面平行的纳米孪晶组织。专利CN 113621998 A一种纳米孪晶铜箔及其制备方法、CN 110724981 A一种全纳米孪晶组织结构的铜薄膜材料的制备方法、CN 109136987 A一种梯度纳米孪晶铜块体材料及其温度控制制备方法及CN 112941586 A纳米孪晶铜部件均是利用直流电镀的方式获得了柱状晶、(111)织构的铜箔，并且综合利用此类纳米孪晶铜材料的高强韧，高导热和导电性能进行应用开发。

纳米孪晶铜材料优异的性能主要来源于纳米级∑3共格孪晶界。例如，通过晶体中的位错与孪晶界的复杂交互作用实现高强韧特性。而由于纳米孪晶的取向会影响位错滑动，并在实验上观察到材料强度对纳米孪晶取向与加载方向的显著依赖性[D.C Jang，X.Y.Li，H.J.Gao，J.R.Greer.Nature Nanotechnology，2012；Z.You，X.Li，L.Gui，Q.Lu，T.Zhu，H.Gao，L.Lu.Acta Materialia，2013]。当受力方向与孪晶平面之间的角度(θ)呈90度时，能够使铜材料中的纳米孪晶发挥出最大的强化效果；当θ为0度时，强化效果次之；当θ为45度时，强化效果最差。对于目前广泛制备的孪晶面平行于沉积平面且具有(111)织构的纳米孪晶铜材料，在其长度方向(θ为0度)取得的强化效果并没有达到最佳。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提供一种具有(110)取向的纳米孪晶铜材料及其制备方法，以制备出具有高密度孪晶且孪晶平面垂直于生长平面的纳米孪晶铜材料，使得其在兼具孪晶界高热稳定性和导电性的同时获得更大的强度和韧性。

根据本发明的一个方面，提供了一种具有(110)取向的纳米孪晶铜材料，包括等轴晶组织和条状组织，其中：