纳米界面粘附力优化策略

考虑一个带有一个界面并受一组外部载荷作用的系统，假设通过实验观察到这个界面失效了，因此按照系统总能量守恒定律，外部载荷所做的功就等于材料形变势能、热能与界面上的表面能（固有的粘附能）之和^[4]。界面的固有粘附能可能来自三个方面：化学相互作用、物理相互租用和力学联锁。

（1）化学相互作用

界面之间的化学相互作用通常指共价键、离子键或者金属键。这些键的相互作用相对较强，被称为主要的化学键。盐类中的离子键主要是由于电子迁移形成的，而共价键是由共用电子形成的。在金属中，原子中的价电子会在原子周围形成电子海（也称为电子胶），而原子会“沉入”海里面。但是在电子或封装中的层合结构中，除了合金系统，界面处最常见的化学相互作用是共价键。这些化学相互作用的尺度接近0.2～1.0nm。例如考虑SiO₂和SiOC（H）薄膜（低k值材料）的界面：在O₂环境中、200～400℃的温度下，通过等离子体加强化学气相沉积方法，利用前驱体正硅酸乙酯（Tetra-Ethyl-Ortho-Silicate，TEOS）（即R-Si-R，其中R代表-O-CH₂-CH₃）在SiOC（H）薄膜上沉淀一层SiO₂。由于加工过程中温度足够高而且应用了等离子体，SiOC（H）表面的甲基（CH₃）会蒸发而且被氧原子取代，结果在界面处形成了硅-氧化学键。因此，SiOC（H）-SiCN和SiO₂-SiOC（H）的界面强度大于Ta/TaN-SiOC（H）的界面强度^[51]。

（2）物理相互作用(www.xing528.com)

物理相互作用常常指界面之间的弱键作用，比如库仑力或者范德华力。尽管物理相互作用比任何一种化学相互作用都要小很多，但是它能在大多数界面处形成，而化学相互作用的形成则需要某些特定的化学条件。物理相互作用的尺度接近5～10nm。而且，考虑一个含有聚合物界面的系统，当两个聚合物链有足够的能量并运动穿过界面时，这两个链会相互缠绕，从而增加了界面强度。

（3）力学联锁

在宏观尺度，可以应用力学联锁来增加界面粗糙度和粘附强度（如对金属进行界面处理）。界面粗糙度的形式和分布都可以通过工艺和材料来控制^[52]。严格来讲，力学联锁不属于材料的固有粘附机制。为了解释分子动力学方法中的势函数，下面分别描述其三种应用。