第2期 马运柱等：SAC哈金粉未的真空蒸镀涂层机理 191° 硬脂酸分子间存在氢键作用，作用力较强，从而 发.气相分子入射到SAC哈金粉末表面上，其中 在硬脂酸分子中会产生双分子缔合结构，如图5所 有一部分吸附在粉末上，另一部分则因能量较大而 示.硬脂酸分子和合金粉之间主要是色散力的作 弹性反射出去.吸附在粉末表面的硬脂酸分子中有 用，作用力较弱.当硬脂酸分子涂覆SACu哈金粉 一小部分还会因为能量稍大而再次蒸发出去， 末时，硬脂酸分子之间的作用力远大于硬脂酸与合 (2)吸附的硬脂酸分子在粉末表面扩散迁移， 金粉之间的作用力，即被沉积的硬脂酸分子更倾向 互相碰撞结合成分子对或小分子团，并凝结在粉末 于彼此相互键合起来. 表面上.硬脂酸分子迁移的驱动力来自表面能的减 RC=0:·HO、 oH.·O=CR 少和分子本身动能的热激活，它们之间受van der Waas力作用. 图5硬脂酸双分子缔合结构 (3)这些硬脂酸分子团或者与其他被吸附的硬 Fg 5 Bmolecular asocia tive structure ofstearic acd 脂酸分子碰撞结合而吸收分子，或者释放一个自身 的单个硬脂酸分子，这个过程反复进行.一旦分子 当被沉积物质与衬底之间的润湿性较差，润湿 角>0时，生长模式为岛状生长；当被沉积物质与 团中的分子数超过某一临界值，分子团进一步与其 衬底之间的润湿性很好，润湿角0=0时，生长模式 他吸附分子碰撞结合，只朝着长大方向发展形成稳 为层状生长或层状-岛状复合生长.本实验采用座 定的分子团.这些含有临界值分子数的分子团称为 滴法测量硬脂酸在SnAgCu哈金上的润湿角，如 临界核，稳定的分子团称为稳定核.粉末表面往往 图6所示.先分别测量每个液滴的左和，求其平 存在原子大小量级的凹坑、棱角和台阶等，它们可以 均值，共测量三个液滴，如表1所示，再按式(1)求 作为捕获中心，在这些位置容易首先捕获硬脂酸分 其总的平均值.最终得硬脂酸在SACu哈金上的 子团而形成上述晶核，且硬脂酸在粉末表面形核属 润湿角为224°.综合硬脂酸与SAu哈金粉末 于非均匀形核. 的作用力及润湿角可得，硬脂酸涂覆SACu哈金 (4)稳定核再捕获其他吸附分子，或者与入射 粉末的薄膜生长方式属于岛状生长 气相分子相结合使其进一步长大.捕获其他吸附分 子的过程包括Osw ald吞并过程.这些不断捕获吸 附分子生长的核，逐渐从圆形变成多面体硬脂酸小 岛.随着岛的不断长大，岛间距离逐渐减小，最后相 邻小岛可互相联结合并成一个大岛.岛的迁移由热 激活过程所驱使，此时岛密度以沉积条件决定的速 率单调减少.这一阶段岛之间通过扩散实现可观的 图6润湿角测量示意图 F6 Schenatic dim of wetting anglemeasurments 质量传递. (5)硬脂酸小岛联并长大后，粉末表面占据面 表1硬脂酸在SAC哈金上的润湿角 积减小，表面能降低，粉末表面上所空出的地方可再 Tab e Wetting angle of stearic acd on the SnAgCu alby 次成核.当岛的分布达到临界状态时互相聚结形成 编号 0生八) ( 8+9) 连通网络结构，岛将变平，以增大表面覆盖度.网络 2 包含大量的空隧道，需要大量的硬脂酸缓慢填充，在 22.8 21.4 221 其沟渠、小空洞处会再发生二次或三次成核，和网状 3 20.0 223 21.5 结构联并，形成连续硬脂酸薄膜. 21.6 25.6 23.6 -8+0,+8 3结论 (1) 3 (1)硬脂酸在SAC哈金粉末表面形成一层 通过本实验及前人对薄膜成膜理论的研 均匀、致密的薄膜，其厚度为5~10四 究1，真空蒸镀硬脂酸包覆SACu哈金粉末的 (2)真空蒸镀硬脂酸涂层SnAgCu哈金粉末的 薄膜形核和生长过程主要包括以下几个阶段， 涂覆行为属于物理吸附行为，其生长方式遵循岛状 (1)硬脂酸在热作用下，达到其熔点，当位于表 生长机理模式，其过程实质是一个气固转换、晶体 面的分子具有的能量大于表面的束缚能时得以蒸 生长的过程.第 2期 马运柱等:SnAgCu合金粉末的真空蒸镀涂层机理 硬脂酸分子间存在氢键作用, 作用力较强, 从而 在硬脂酸分子中会产生双分子缔合结构, 如图 5所 示 .硬脂酸分子和合金粉之间主要是色散力的作 用, 作用力较弱.当硬脂酸分子涂覆 SnAgCu合金粉 末时, 硬脂酸分子之间的作用力远大于硬脂酸与合 金粉之间的作用力, 即被沉积的硬脂酸分子更倾向 于彼此相互键合起来 . 图 5 硬脂酸双分子缔合结构 Fig.5 Bimolecularassociativestructureofstearicacid 当被沉积物质与衬底之间的润湿性较差, 润湿 角 θ>0°时, 生长模式为岛状生长;当被沉积物质与 衬底之间的润湿性很好, 润湿角 θ=0°时, 生长模式 为层状生长或层状--岛状复合生长.本实验采用座 滴法 [ 12]测量硬脂酸在 SnAgCu合金上的润湿角, 如 图 6所示.先分别测量每个液滴的 θ左和 θ右 , 求其平 均值, 共测量三个液滴, 如表 1 所示, 再按式 ( 1)求 其总的平均值.最终得硬脂酸在 SnAgCu合金上的 润湿角为 22.4°.综合硬脂酸与 SnAgCu合金粉末 的作用力及润湿角可得, 硬脂酸涂覆 SnAgCu合金 粉末的薄膜生长方式属于岛状生长. 图 6 润湿角测量示意图 Fig.6 Schematicdiagramofwettinganglemeasurements 表 1 硬脂酸在 SnAgCu合金上的润湿角 Table1 WettingangleofstearicacidontheSnAgCualloy 编号 θ左 /( °) θ右 /( °) θ= θ左 +θ右 2 /( °) 1 22.8 21.4 22.1 2 20.0 22.3 21.5 3 21.6 25.6 23.6 θ总 = θ1 +θ2 +θ3 3 ( 1) 通过 本实 验及 前人 对薄 膜成 膜 理论 的研 究 [ 11, 13] , 真空蒸镀硬脂酸包覆 SnAgCu合金粉末的 薄膜形核和生长过程主要包括以下几个阶段. ( 1) 硬脂酸在热作用下, 达到其熔点, 当位于表 面的分子具有的能量大于表面的束缚能时得以蒸 发.气相分子入射到 SnAgCu合金粉末表面上, 其中 有一部分吸附在粉末上, 另一部分则因能量较大而 弹性反射出去 .吸附在粉末表面的硬脂酸分子中有 一小部分还会因为能量稍大而再次蒸发出去 . ( 2) 吸附的硬脂酸分子在粉末表面扩散迁移, 互相碰撞结合成分子对或小分子团, 并凝结在粉末 表面上.硬脂酸分子迁移的驱动力来自表面能的减 少和分子本身动能的热激活, 它们之间受 vander Waals力作用. ( 3) 这些硬脂酸分子团或者与其他被吸附的硬 脂酸分子碰撞结合而吸收分子, 或者释放一个自身 的单个硬脂酸分子, 这个过程反复进行 .一旦分子 团中的分子数超过某一临界值, 分子团进一步与其 他吸附分子碰撞结合, 只朝着长大方向发展形成稳 定的分子团.这些含有临界值分子数的分子团称为 临界核, 稳定的分子团称为稳定核 .粉末表面往往 存在原子大小量级的凹坑、棱角和台阶等, 它们可以 作为捕获中心, 在这些位置容易首先捕获硬脂酸分 子团而形成上述晶核, 且硬脂酸在粉末表面形核属 于非均匀形核 . ( 4) 稳定核再捕获其他吸附分子, 或者与入射 气相分子相结合使其进一步长大 .捕获其他吸附分 子的过程包括 Ostwald吞并过程 .这些不断捕获吸 附分子生长的核, 逐渐从圆形变成多面体硬脂酸小 岛.随着岛的不断长大, 岛间距离逐渐减小, 最后相 邻小岛可互相联结合并成一个大岛.岛的迁移由热 激活过程所驱使, 此时岛密度以沉积条件决定的速 率单调减少.这一阶段岛之间通过扩散实现可观的 质量传递 . ( 5) 硬脂酸小岛联并长大后, 粉末表面占据面 积减小, 表面能降低, 粉末表面上所空出的地方可再 次成核.当岛的分布达到临界状态时互相聚结形成 连通网络结构, 岛将变平, 以增大表面覆盖度.网络 包含大量的空隧道, 需要大量的硬脂酸缓慢填充, 在 其沟渠、小空洞处会再发生二次或三次成核, 和网状 结构联并, 形成连续硬脂酸薄膜. 3 结论 ( 1) 硬脂酸在 SnAgCu合金粉末表面形成一层 均匀 、致密的薄膜, 其厚度为 5 ～ 10 nm. ( 2) 真空蒸镀硬脂酸涂层 SnAgCu合金粉末的 涂覆行为属于物理吸附行为, 其生长方式遵循岛状 生长机理模式, 其过程实质是一个气--固转换 、晶体 生长的过程. · 191·