基于Cu 阻挡层的Al/CuO 含能半导体桥的电爆性能研究❋

史安然 周宇轩 沈 云 张 伟 叶迎华 沈瑞琪

①南京理工大学化学与化工学院(江苏南京，210094)

②微纳含能器件工业和信息化部重点实验室(江苏南京，210094)

③南京理工大学空间推进技术研究所(江苏南京，210094)

④江苏警官学院警察指挥与战术系(江苏南京，210031)

引言

随着科学技术的不断发展，半导体桥(semiconductor bridges，SCB)火工品由于其优良的非线性换能性能在军事和民用方面得到了广泛应用[1-2]。SCB 采用电爆炸形式输出能量，具有功耗低、发火时间短、作用迅速、体积小、可靠性高、安全性高等优点[3-4]。然而随着微纳米火工器件的发展，半导体桥面临着小型化后点火能力不足的问题。将Al/CuO[5-6]、Al/MoO3[7-8]和Al/Ni[9-10]等纳米含能复合薄膜(reactive multilayeredfilms，RMFs)集成到半导体桥火工品上，制备得到的复合含能半导体桥(energetic semiconductor bridges，ESCB)能够极大地提高半导体桥的点火能力[11-12]。其中，Al/CuO RMFs 以4.08 kJ/g 的高质量能量密度得到了较高关注[13]。但是在研究中发现，总厚度相同的纳米Al/CuO RMFs 的能量释放会随着界面层数量的增加而减少[14]。

2015 年，Marin 等[15]在Al 层与CuO 层中添加了一层5 nm 的Cu 层来提高纳米Al/CuO RMFs 的反应性能，增强了纳米Al/CuO RMFs 的反应活性。杨腾龙等[16]为了提高Ni-Cr 薄膜发火件的安全性和点火能力，于2019 年使用磁控溅射技术将Al/CuO 含能薄膜与Ni-Cr 薄膜发火件复合，制备了一种新型的Ni-Cr＠ Al/CuO 钝感含能元件。Shen等[17]利用磁控溅射的方式将纳米Al/CuO RMFs 集成到不同形态的V 型镍铬桥(nichrome bridges，NCBs)上，制备了4 种V 型角的Al/CuO 含能镍铬桥(energetic nichrome bridges，ENCBs)点火器；系统地介绍了电容放电条件下ENCBs 起爆器的电爆特性以及恒流条件下的点火过程。

界面层的数量是纳米RMFs 制备过程中影响能量走向的重要参数，直接影响纳米RMFs 的化学反应活性[14，18]。但至今未有关于界面层反应性对于ESCB 电爆特性影响的公开报道。本文中，旨在研究RMFs 添加阻挡层前、后对于ESCB 电爆特性的影响。为了不引入其他元素，选取Cu 层作为纳米Al/CuO RMFs 的阻挡层，采用磁控溅射技术制备了Al/CuO-ESCB 和 Al/Cu/CuO-ESCB。通过对比SCB、Al/CuO-ESCB 和Al/Cu/CuO-ESCB 的临界激发时间和燃烧时间等参数，探究界面层对于ESCB电爆性能的影响，以期优化ESCB 的电爆性能。

1 试验

1.1 试剂与仪器

试剂:Al 靶材(直径76 mm，厚5 mm，纯度为99.99 %)、Cu 靶材(直径76 mm，厚6 mm，纯度为99.99 %)、CuO 靶材(直径76 mm，厚4 mm，纯度为99.99 %)，中诺新材科技有限公司；无水乙醇、丙酮，分析纯，国药集团化学试剂有限公司。

仪器:PH-LW52-BHP 型智能激光冷水机，深圳东露阳实业有限公司；MS550 型多功能通用镀膜机，南京理工大学；KD-0510 型直流电源和AG-1305 型射频电源，中山市凯美电子有限公司。

1.2 样品制备

桥区为双V 型半导体桥，V 型夹角为90 °，桥区尺寸设计为380 μm(宽度) ×80 μm(长度) ×2.5 μm(厚度)，电阻为(1.3 ±0.1)Ω，由夹在硅基片与电极之间的重掺杂多晶硅构成，电极焊盘采用Au/Ti。主要结构如图1 所示。

将单层Al 膜与单层CuO 膜厚度之和视为一个调制周期。将单层Al 膜与单层CuO 膜厚度之比视为一个调制比。在横截面相同的情况下，由所需反应当量比Φ、各组分摩尔质量(Al:27 g/mol、CuO:80 g/mol)及密度(Al:2.700 g/cm3、CuO:6.315 g/cm3)计算得到Al 和CuO 的厚度比为1∶2。利用磁控溅射技术，在半导体桥上溅射沉积Al/CuO RMFs 和Al/Cu/CuO RMFs，薄膜的总厚度均为3 μm，具体参数如表1 所示。

表1 Al/CuO RMFs 和Al/Cu/CuO RMFs的参数设计Tab.1 Parameter design of Al/CuO RMFs and Al/Cu/CuO RMFs

1.3 Al/CuO-ESCB 和Al/Cu/CuO-ESCB 电爆测试试验

半导体桥的电爆换能过程主要是指多晶硅材料在受到快速电流驱动下，由于欧姆焦耳加热作用发生电爆炸现象，并呈现出了复杂的物理化学变化，伴随着发光、发热等现象。采用电容放电的快速脉冲方式激发ESCB，记录ESCB 在电爆过程中的电流、电压等参数，从而研究其电爆规律，试验装置如图2所示。采用自行研制的ALG-CN1 型储能放电起爆仪作为激发源，选用47 μF 的钽电容作为储能电容。首先，按照图2 所示的电路图连接电路；然后，将ESCB 样品放置于点火电路中；之后，闭合开关S1，并调节储能放电起爆仪的电压至设定的电压值；待充电完毕后，断开开关S1，闭合开关S2，放电回路被接通，从而ESCB 发生电爆。此时，示波器(104Xi-A，LeCroy)通过电压探头(PP011，LeCroy)与电流探头(AP015，LeCroy)记录ESCB 发火件两端的电压以及回路的电流，高速摄影通过储能放电仪的同步触发信号同时拍摄了ESCB 的电爆过程。试验中的激发电压选取50 V。

2 结果与讨论

半导体桥的电爆特性与外界能量刺激有关。为了分析界面层数量对含能半导体桥电爆特性的影响，结合高速摄影图像分析50 V、47 μF 高能量刺激条件下SCB 与Al/CuO-ESCB 和Al/Cu/CuO-ESCB的电流、电压曲线和具体的电爆过程。

2.1 SCB、Al/CuO-ESCB 和Al/Cu/CuO-ESCB的电爆曲线分析

图3为在50 V、47 μF外界刺激下，SCB的典型电压、电流、电阻随时间的变化曲线。为了更好地分析含能半导体桥的电爆过程，根据电压、电流特征曲线定义了一些典型的时刻点。首先，放电回路在t0时刻闭合了开关，电压、电流开始快速上升；电压在t1时刻上升到第1 个峰值以后开始下降，在t2时刻降至最低点之后又开始快速上升，在t3时刻达到第2 个峰值；最后，电流、电压开始下降，直至电流降为0。此时，SCB 断裂，电路为断路状态。由图3 可以看出，对于SCB，电阻在t0至t1阶段开始上升，此时，多晶硅电阻随温度的上升而上升；而在t1至t2阶段，SCB 电阻开始下降，此时，由于多晶硅温度达到了电阻率转换温度，电阻随着温度的上升而下降；此后，多晶硅开始熔化，由于液态多晶硅电阻仅为固态电阻的十分之一，电阻开始迅速上升；最后，在t3至t4阶段，多晶硅电离过程开始成长，直至湮灭。因此，SCB 的电爆过程可以分为固态升温阶段(t0～t1)、转换温度加热及熔化阶段(t1～t2)、汽化及开始电离阶段(t2～t3)、电离成长及湮灭阶段(t3～t4)。

如图4 和图5 所示，在电爆过程中，Al/Cu/CuO-ESCB 的电压曲线在t1至t2阶段出现了一段微弱的平台效应滞胀期。可以明显看出:t0～t3阶段，Al/CuO-ESCB 和Al/Cu/CuO-ESCB 的加热、熔化、汽化过程较SCB 快速完成；而在t3～t4阶段，Al/CuO-ESCB 和Al/Cu/CuO-ESCB 电离的成长与湮灭过程均小于SCB。

2.2 Al/CuO-ESCB 和Al/Cu/CuO-ESCB 电爆换能过程分析

ESCB 的电爆过程包括多晶硅的电离以及RMFs的化学反应。RMFs的引入会使多晶硅熔化时间变长，而SCB的电爆与RMFs二者之间的能量作用关系并没有反映。SCB与ESCB的电爆过程迅速，整个过程小于1 ms。为了尽可能详细地记录SCB与ESCB的发火过程，借助高速摄影分析ESCB的电爆过程。高速摄影的记录速度设为50 000 帧/s，每张图片间隔20 μs，设定单幅照片的分辨率为64 dpi(宽) ×112 dpi(长)。图6、图7 和图8 分别为SCB、Al/CuO-ESCB 和Al/Cu/CuO-ESCB 在50 V、47 μF 外界刺激条件下电爆过程的高速摄影图像。

由图6 可以看出，50 V、47 μF条件下，SCB在20 μs时产生强烈的白紫色亮光。这些白紫色的亮光多是多晶硅蒸气电离产生的高温等离子体。随后，亮光逐渐消失，持续时间大约为100 μs。由图7和图8 可以看出:Al/CuO-ESCB和Al/Cu/CuO-ESCB同样在刚开始0～20 μs 阶段产生了白紫色亮光；之后，亮光并没有减弱，而是产生了黄白色火焰。火焰的产生是由于纳米Al/CuO RMFs 发生了化学反应。火焰的强度、高度和面积随着阻挡层Cu 层的添加而增大。Al/CuO-ESCB 反应较为强烈，在40 μs 产生最强亮光后，由于纳米Al/CuO RMFs 的反应，亮光依旧持续并维持到100 μs 之后才开始减弱，整个反应时间持续为220 μs。Al/Cu/CuO-ESCB 的反应最剧烈，在20 μs 产生白紫色亮光后，由于增加了阻挡层Cu 层，在一定程度上消除了界面层反应性能对纳米Al/CuO RMFs 能量的影响。可以观察到，火焰面积、高度继续增大，并在200 μs 时达到最大，之后RMFs 在桥区上继续发生化学反应，整个反应持续时间达到了460 μs。通过对比可以看出，Al/CuO-ESCB 和Al/Cu/CuO-ESCB 较SCB 在50 V、47 μF 的能量刺激下产生的白紫色亮光的等离子体大小与持续的时间都有所增大，火焰燃烧的强度与持续时间都有所增加。

为了进一步分析Al/CuO-ESCB 和Al/Cu/CuOESCB 的电爆过程，利用体视显微镜拍摄了SCB、Al/CuO-ESCB 和Al/Cu/CuO-ESCB 电爆之后的显微镜照片，如图9 所示。从图9 中可以看出，在相同的电压刺激下，SCB 的电爆面积较小，Al/CuO-ESCB 和Al/Cu/CuO-ESCB 的电爆面积基本与SCB 相同，但Al/Cu/CuO-ESCB 的薄膜的反应面积较大，这与图中火焰持续时间的变化规律一致。

由图9 可知，SCB 与Al/CuO-ESCB 和Al/Cu/CuO-ESCB 多晶硅材料被电爆形成等离子体这一过程基本相同。当多晶硅电爆产生等离子体后，Al/CuO-ESCB 和Al/Cu/CuO-ESCB 中位于多晶硅桥上方的纳米Al/CuO RMFs 和纳米Al/Cu/CuO RMFs被点燃，发生燃烧反应，产生大量的高温火焰。之后，由于Al/Cu/CuO 中增加了阻挡层Cu 层，界面层反应性能受到影响，导致两种材料的火焰燃烧的时间不同。由此也可以看出，后期Al/CuO-ESCB 和Al/Cu/CuO-ESCB 的电爆过程是由于RMFs 发生的自蔓延燃烧反应。而在RMFs 点燃的瞬间，Al/CuOESCB 和Al/Cu/CuO-ESCB 的电爆过程包含了多晶硅的电离以及纳米Al/CuO RMFs 和纳米Al/Cu/CuO RMFs 的化学反应。纳米Al/CuO RMFs 的反应性能量损失随着调制周期的增加、界面层数量的减少而减小，添加有阻挡层Cu 层的纳米Al/Cu/CuO RMFs 的反应性能更活泼，这与Al/CuO-ESCB 和Al/Cu/CuO-ESCB 电爆试验结果相一致。由此可知，RMFs 对ESCB 的增强作用主要体现为RMFs 自身的反应性能，而通过增加阻挡层的方式，减少在制备过程中由于界面层造成的能量损失，新型结构的RMFs 对ESCB 的增强作用也随之增大。

3 结论

RMFs 厚度和调制周期不变，研究了Al/CuOESCB 和添加Cu 阻挡层的Al/Cu/CuO-ESCB 的电爆特性规律，并与SCB 电爆特性进行对比。发现通过选择合适的阻挡层，可以改善ESCB 在RMFs 制备过程中因界面层导致的能量损失。得出的主要结论如下:

1)RMFs 的引入使得ESCB 的临界爆发时间大于SCB，添加Cu 阻挡层的Al/Cu/CuO-ESCB 的临界爆发时间有所增加。

2)在相同外界刺激下，Al/CuO-ESCB 和Al/Cu/CuO-ESCB 的电爆持续时间、火焰面积、火焰强度均大于SCB。Al/Cu/CuO-ESCB 的相关参数优于Al/CuO-ESCB。RMFs 能增强SCB 的电爆输出性能，Cu阻挡层能有效提高ESCB 的电爆输出性能。

3)RMFs 在桥区爆炸之前并没有反应，RMFs 的存在会延长桥区V 尖角的熔化时间。当桥区完全熔化、汽化、被电爆产生等离子体后，RMFs 被点燃，发生自蔓延燃烧反应；之后，ESCB 的电爆情况与RMFs 的性能和外界刺激能量有关。在相同外界能量刺激下，增加Cu 阻挡层能有效提高ESCB 的反应性能。