上海交通大学材料科学与工程学院电子材料与技术研究所团队的最新研究，提出了电沉积铜纳米孪晶的随机堆垛形成机制，首次提出了表面原子迁移对于孪晶形成的影响，有利于更好地把握纳米孪晶铜结构与性能的调控。相关工作以“Surface atom migration-involved two-dimensional nucleation and growth of nanotwinned copper in DC electrodeposition”为标题发表在国际著名期刊Acta Materialia上（论文链接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2023.119468），博士生陈沛欣为文章的第一作者，吴蕴雯副教授和杭弢教授为论文的共同通讯作者。上述研究工作得到了国家自然科学基金项目（No. 62004124 & No. 51991374）的资助。

铜是目前电子芯片中用途最广的互连材料。纳米孪晶铜是具有大量纳米级孪晶片层结构的铜，它具有高强度、低电阻、抗电迁移的特性，能够大大提升铜互连的性能。电沉积可以用于纳米孪晶铜的制备，其效率较高，且兼容IC中铜互连的成形工艺，因而是纳米孪晶铜互连的主流制备方法。目前已有大量学者研究了电沉积条件与纳米孪晶铜结构之间的关系，但这些大多是经验性的研究，电沉积中纳米孪晶铜的形成机制目前仍不清楚，从而制约了纳米孪晶铜可控电沉积技术的发展。学术界已经提出的形成机制主要包括应变能释放理论、Winand理论等，但都还没有完整的证据加以证实。

为此，材料学院电子材料与技术研究所团队借鉴了气相沉积中孪晶形核与生长的研究，建立了电沉积铜纳米孪晶的二维形核长大模型。运用经典形核理论，通过对孪晶、非孪晶形核的形核自由能变化、临界形核尺寸、形核功、形核率的计算，发现电沉积过程中，在(111)面上单个沉积原子即为可扩展的晶核，且形核发生在孪晶位点上的概率很高，说明孪晶可以通过(111)面随机堆垛的方式形成，并不需要额外的驱动力。

图3  (a-d) 不同沉积速度下沉积两个单层后的体系俯视图与hcp结构含量，(e-h) 不同沉积温度下沉积12个单层后的体系侧视图与hcp结构含量

当晶核尺寸只有少数原子时，原子在表面上的迁移容易导致晶核的性质发生改变。因此，表面原子迁移将会对孪晶的形成产生影响。对此，团队利用分子动力学方法对铜的沉积过程进行了模拟，以观察存在表面原子迁移时铜纳米孪晶的生长行为。模拟结果表明，沉积层中确实存在大量的纳米级孪晶结构，证实了纳米孪晶可以通过随机堆垛的形式形成。沉积过程中也确实观察到了表面原子迁移导致的晶核性质改变，这种改变可以通过晶核整体迁移和畴界面移动两种形式发生。这种表面原子迁移现象表明晶核具有不稳定性，可稳定生长的晶核需要有更大的面积，因而孪晶形成的概率要比计算值低。通过降低沉积速率、提高温度可以加速原子的表面迁移，提升晶核不稳定性，降低孪晶形成概率，模拟结果也与这一猜想相符。