基于Al／MoOx纳米复合薄膜的含能半导体桥研究.pdf

doi10． 3969／ j． issn． 1001- 8352． 2013． 06． 001 基于 Al ／ MoOx纳米复合薄膜的含能半导体桥研究 磁 付 帅 朱 朋 叶迎华 李东乐 沈瑞琪 南京理工大学化工学院（江苏南京，２１００９４） ［摘 要］ 使用微细加工和磁控溅射技术将 Ａｌ／ ＭｏＯx纳米复合薄膜集成于半导体桥（ＳＣＢ），制成含能半导体桥 ＳＣＢ- Ａｌ／ ＭｏＯx以提高 ＳＣＢ 的点火能力。 薄膜的 ＳＥＭ、ＤＣＳ 和 ＸＰＳ 结果表明，复合薄膜成膜质量好，层状结构清晰， 放热量可达３２００ Ｊ／ ｇ，达到理论值的 ６８％（理论放热量为 ４７０３ Ｊ／ ｇ），ＭｏＯx薄膜含有 ３２％的 ＭｏＯ３、 ３７％的 Ｍｏ２Ｏ５ 以及３１％的 ＭｏＯ２。 电容激励发火实验表明相同激发条件下， ＳＣＢ- Ａｌ／ ＭｏＯx反应终止时间较 ＳＣＢ 显著缩短，能量 输出效率高于 ＳＣＢ，发火时溅射出的火花量明显增多，持续时间显著延长，使用原子发射双谱线测温法得到的等离 子体温度亦高于 ＳＣＢ。 ［关键词］ Ａｌ／ ＭｏＯx纳米复合薄膜 含能半导体桥 点火起爆特性 等离子体测温 ［分类号］ ＴＪ５１ ＴＪ４５０． １ 引言 半导体桥（Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｂｒｉｄｇｅ，ＳＣＢ）火工品具 有发火能量小、作用迅速、安全性好等诸多特点，自 问世以来，受到广泛的关注和应用。 国内外对于多 晶硅半导体桥的设计、制造和点火起爆应用方面的 研究报道层出不穷；国外对于含能半导体桥等新型 半导体桥已进行了许多研究，然而，国内却未见此方 面的公开研究报道。 因此，开展对含能半导体桥的 设计、制备及点火起爆方面的研究具有一定的意义 和价值。 选用合适的含能材料与 ＳＣＢ 进行集成，对于含 能半导体桥的设计制备十分重要。 纳米含能复合薄 膜材料是一种特殊结构形式的纳米铝热剂，由纳米 级厚度、可发生合金化反应或氧化还原反应的金属／ 金属或金属／ 氧化物薄膜交替叠加而成。 由于薄膜 中层与层结构紧密，比表面积大，可大大加快各层间 的互相渗透，进而提高反应速率和能量转化率。 在 一定外界激励下，如电火花、激光脉冲等，薄膜材料 能发生自蔓延燃烧反应，释放出化学反应热，形成局 部高温热源 ［１- ４］ ，故将其应用于含能半导体，可提高 火工品可靠性、降低发火能量。 自２０ 世纪９０ 年代，国外开始对合金化薄膜进 行详细的研究。 金属／ 氧化物薄膜的研究开始较晚， 主要集中在 Ａｌ／ ＣｕＯ 方面，对于 Ａｌ／ ＭｏＯx薄膜的研 究未见公开报道。 国内对于复合薄膜材料的研究较 多集中在南京理工大学、中国工程物理研究院、香港 城市大学等单位，南京理工大学沈瑞琪课题组自 ２００４ 年开始研究反应含能复合桥膜，主要包括基于 合金化反应的 Ａｌ／ Ｎｉ、Ａｌ／ Ｔｉ ［５］ 薄膜，基于铝热反应的 Ａｌ／ ＣｕＯ ［６- ９］ 薄膜。 本文选择理论放热量较高的 Ａｌ／ ＭｏＯx复合薄 膜（Ａｌ／ ＭｏＯ３理论放热量为４７０３Ｊ／ ｇ）与 ＳＣＢ 集成制 备出含能半导体桥（简称 ＳＣＢ- Ａｌ／ ＭｏＯx），利用薄膜 的化学反应热来提高 ＳＣＢ 的点火能力。 电容激励 发火实验表明，集成于 ＳＣＢ 的 Ａｌ／ ＭｏＯx复合薄膜发 火时可产生大量火花，并释放热能，对于提高 ＳＣＢ 的点火能力十分有利。 1 实验 1． 1 样品制备 ＳＣＢ 桥区为双 Ｖ 型，Ｖ 型夹角 ９０ ，尺寸为 ３８０ μ ｍ （宽） ８０ μ ｍ （长）２ μ ｍ （厚），电阻 （１． ３ ０． １）Ω ，电极焊盘使用金属 Ｔｉ／ Ａｕ ［１０- １１］ 。 使 用图形反转剥离及磁控溅射工艺在 ＳＣＢ 上集成厚 度为 ３ μ ｍ 的 Ａｌ／ ＭｏＯx复合薄膜，为使复合薄膜组 分间接触面积增大，提高化学反应速率，故制备纳米 厚度薄膜单层 Ａｌ 膜和 ＭｏＯx膜厚度分别控制在 ３０ ｎｍ 和 ４５ ｎｍ，之后经剥离、划片、焊丝等工艺，将 ＳＣＢ- Ａｌ／ ＭｏＯx封装于陶瓷塞，制成实验样品。 其结 构示意图和实物形貌如图 １ 所示。 1． 2 样品发火特性测试和薄膜性能表征 １ ２０１３ 年１２ 月 基于 Ａｌ／ ＭｏＯx纳米复合薄膜的含能半导体桥研究 付 帅等 磁 收稿日期２０１３- ０６- ０４ 基金项目国家自然科学基金资助项目（５１２０１０９１） 作者简介付 帅（１９８９ ～ ），男，硕士研究生，主要从事含能材料的研究。 Ｅ- ｍａｉｌｆｓｆｓｆｓ１２３＠ｙｅａｈ． ｎｅｔ 通信作者朱 朋（１９７８ ～ ），男，助理研究员，主要从事火工技术与薄膜材料研究。 Ｅ- ｍａｉｌｚｈｕｐｅｎｇ０５＠ｈｏｔｍａｌｌ． ｃｏｍ （ａ） （ｂ） （ａ）结构图；（ｂ）俯视图 图１ ＳＣＢ- Ａｌ／ ＭｏＯx的结构示意图及样品俯视图 Ｆｉｇ． １ Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｒｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｏｎ ａｎｄ ｏｐｔｉｃａｌ ｉｍａｇｅ ｏｆ ＳＣＢ- Ａｌ／ ＭｏＯx 实验选用４７ μ Ｆ 固体钽电容作为点火激发源， 电路示意图如图 ２。 实验时，首先闭合开关 Ａ 为电 容充电，之后断开 Ａ 并闭合 Ｂ，样品受电流作用发 火。 将 ＡＬＧ- ＣＮｌ 储能放电起爆仪（南京理工大学研 制）作为充电源，用数字示波器（ＬｅＣｒｏｙ４４Ｘｓ）记录 发火电压、电流随时间变化曲线，用高速摄影仪 （ＨＧ- １００Ｋ）记录发火影像，双谱线测温仪记录样品 发火生成的等离子体的温度。 图 ２ 点火电路示意图 Ｆｉｇ． ２ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｄｒａｗｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｉｇｎｉｔｉｎｇ ｃｉｒｃｕｉｔ 在样品制备之前，首先对 Ａｌ／ ＭｏＯx纳米复合薄 膜的基本性能进行表征分析。 使用荷兰 ＦＥＩ 公司生 产的 Ｓｉｒｉｏｎ ２０００ 场发射扫描电子显微镜（ＦＥＳＥＭ） 观测薄膜横截面层状结构；使用 ＰＨＩ Ｑｕａｎｔｅｒａ ＩＩ 扫 描 ＸＰＳ 探针仪对薄膜化学元素状态进行分析，以 Ａｌ Ｋａ线为 Ｘ 射线源，绝对灵敏度高达 １０ － １８ ｇ，背景 真空度低于 ６． ７ １０ － ８ Ｐａ，结合能数据利用真空系 统中最常见的有机污染碳的 Ｃ １ｓ 结合能 ２８４． ６ ｅＶ 进行校正，全谱扫描能量范围为 ０ ～ １２００ ｅＶ，步长 １ｅＶ， 芯 能 级 扫 描 步 长 为 ０． ０５ ｅＶ； 使 用 德 国 ＮＥＴＺＳＣＨ ＳＴＡ ４４９ Ｃ 型同步热分析仪对复合薄膜 进行热分析， 实验采用 Ａｒ 气氛， 气体流量 ２０ ｍＬ／ ｍｉｎ，取样品量 ３． ０ ｍｇ 左右，升温区间 ３０ ℃至 １２００ ℃，升温速率 ５０ Ｋ／ ｍｉｎ。 2 结果与讨论 2． 1 Al／ MoOx复合薄膜性能 Ａｌ／ ＭｏＯx纳米复合薄膜的 ＦＥＳＥＭ、ＸＰＳ 和 ＤＳＣ 的实验结果如图３、图 ４、图 ５ 所示。 图３ Ａｌ／ ＭｏＯx纳米复合薄膜截面的 ＳＥＭ 图 Ｆｉｇ． ３ ＳＥＭ ｏｆ ｔｈｅ ｃｒｏｓｓ ｓｅｃｔｉｏｎ ｏｆ Ａｌ ／ ＭｏＯx ｎａｎｏ ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒ ｆｉｌｍｓ 图 ４ Ａｌ／ ＭｏＯx纳米复合薄膜表面 ＭｏＯx中的 Ｍｏ- ３ｄ 的 ＸＰＳ 芯能级扫描图谱 Ｆｉｇ． ４ ＸＰＳ ｃｏｒｅ ｌｅｖｅｌ ｓｐｅｃｔｒｕｍ ｏｆ Ｍｏ- ３ｄ ｉｎ ＭｏＯxｏｎ ｔｈｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｏｆ Ａｌ／ ＭｏＯxｎａｎｏ ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒ ｆｉｌｍｓ 图５ Ａｌ／ ＭｏＯx纳米复合薄膜 ＤＳＣ 曲线 Ｆｉｇ． ５ ＤＳＣ ｃｕｒｖｅｓ ｏｆ Ａｌ／ ＭｏＯxｎａｎｏ ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒ ｆｉｌｍｓ ＦＥＳＥＭ 结果显示，复合薄膜层状结构清晰，各 ２ 爆 破 器 材 Ｅｘｐｌｏｓｉｖｅ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ 第 ４２ 卷第６ 期 层厚度均匀，层与层之间连接紧密无翘起；ＭｏＯx薄 膜的 ＸＰＳ 结果显示， ＭｏＯx薄膜中含有 ３２％ 的 ＭｏＯ３、３７％的 Ｍｏ２Ｏ５以及３１％的 ＭｏＯ２，故 ＭｏＯx中 Ｏ 的下标使用 x 代替；ＤＳＣ 结果显示，复合薄膜反应 起始温度在 ５６０℃左右，薄膜放热量约 ３２００ Ｊ／ ｇ，达 到理论放热量４７０３ Ｊ／ ｇ ［１２］ 的６８％，此放热量高于其 他常见的复合薄膜材料 ［２- ５］ 。 造成薄膜放热量与理 论值存在差距的原因主要有以下 ３ 点 １）薄膜在溅射成膜过程中不可避免地形成诸 如空洞、晶格错位等缺陷，造成薄膜密度与体密度存 在差异，致使理论计算得到的薄膜调制周期与薄膜 反应的化学计量比存在差距； ２）由于 Ｏ 的相对分子质量较小；在溅射过程中 易受到 Ａｒ ＋和其他中性粒子影响；在移动至基片的 过程中，部分 Ｏ 的运动方向发生偏移，未能沉积到 基片上，造成基片上的薄膜发生 Ｏ 缺失现象，从 ＸＰＳ 发现 ＭｏＯx薄膜中存在 ＭｏＯ３、Ｍｏ２Ｏ５和 ＭｏＯ２３ 种结构的结果中可得到进一步验证； ３）纳米厚度的 Ａｌ 在沉积过程中有一部分被氧 化成 Ａｌ２Ｏ３，致使实际参与薄膜铝热反应的 Ａｌ 的量 少于设计配比量。 2． 2 含能半导体桥电爆特性 2． 2． 1 发火特性曲线 为了更好地显示含能半导体桥 ＳＣＢ- Ａｌ／ ＭｏＯx 在电爆换能方面的优越性，加入与 ＳＣＢ- Ａｌ／ ＭｏＯx各 项参数相同，但是未集成有纳米复合薄膜的 ＳＣＢ 裸 桥的电爆结果，通过二者之间的对比来分析 ＳＣＢ- Ａｌ／ ＭｏＯx与普通 ＳＣＢ 的异同之处。 充电电压为４０Ｖ 时，ＳＣＢ 与 ＳＣＢ- Ａｌ／ ＭｏＯx发火 的典型电流、电压和电阻随着时间的变化曲线如图 ６。 ＳＣＢ- Ａｌ／ ＭｏＯx的电流、电压和电阻曲线与 ＳＣＢ 的相似，亦可分为桥升温（t０至 t１）、熔化（t１至 t２）、 汽化（t２至 t３） 和等离子体加热（t３至 t４）４ 个阶 段 ［１３- １５］ 。 图 ６ 中，t４时刻桥区完全断开，称为电能作用于 桥区的终止时间，此时刻对应电流曲线降至零值时 刻。 比较图 ６，相同条件下，ＳＣＢ- Ａｌ／ ＭｏＯx与 ＳＣＢ 的 电流、电压和电阻曲线在 t３时刻之前无显著性差 别，但 ＳＣＢ- Ａｌ／ ＭｏＯx的等离子体加热时间较 ＳＣＢ 显 著缩短，致使 ＳＣＢ- Ａｌ／ ＭｏＯx的终止时间显著前移， 且随着充电电压的增大，二者的终止时间差值亦增 大，最大差值可达 ５０％左右。 同时发现，当充电电 压小于２２． ５ Ｖ 后，ＳＣＢ- Ａｌ／ ＭｏＯx的终止时间较 ＳＣＢ 反而延长，如图７所示。ＳＣＢ与ＳＣＢ- Ａｌ／ ＭｏＯx的终 （ａ） （ｂ） （ａ） ＳＣＢ；（ｂ） ＳＣＢ- Ａｌ／ ＭｏＯx 图 ６ 电流、电压、电阻随时间变化曲线 Ｆｉｇ． ６ Ｃｕｒｖｅｓ ｏｆ ｃｕｒｒｅｎｔ， ｖｏｌｔａｇｅ ａｎｄ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｃｈａｎｇｉｎｇ ｗｉｔｈ ｔｉｍｅ 图７ ＳＣＢ 与 ＳＣＢ- Ａｌ／ ＭｏＯx在不同充电电压下 的终止时间 Ｆｉｇ． ７ Ｔｅｒｍｉｎａｌ ｔｉｍｅｓ ｏｆ ＳＣＢ ａｎｄ ＳＣＢ- Ａｌ／ ＭｏＯx ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｃｈａｒｇｅ ｖｏｌｔａｇｅｓ 止时间随电压的增大均呈高次多项式关系。 分析认为，造成 ＳＣＢ- Ａｌ／ ＭｏＯx的终止时间较 ＳＣＢ 缩短的原因主要是 ＳＣＢ- Ａｌ／ ＭｏＯx桥区电离生 成高温等离子体，激发了覆盖于其上的复合薄膜，薄 膜发生铝热反应放出大量热，热量向下传导至桥区， 加速了桥区的电离熔断速率，致使终止时间显著缩 短；其次，薄膜反应生成的 Ａｌ２Ｏ３和 Ｍｏ 的沸点较高 （Ａｌ２Ｏ３沸点 ３２５０ Ｋ，Ｍｏ 沸点 ５８３３ Ｋ），加之 Ａｌ２Ｏ３ 导电性差，因此，对等离子体电加热过程产生了一定 影响；随着电压的增大，ＳＣＢ- Ａｌ／ ＭｏＯx桥区电离生成 ３ ２０１３ 年１２ 月 基于 Ａｌ／ ＭｏＯx纳米复合薄膜的含能半导体桥研究 付 帅等 等离子体时间缩短，能量升高，被激发反应的复合薄 膜面积增大，薄膜放热量增大，单位时间作用于桥区 的能量增加，故使 ＳＣＢ- Ａｌ／ ＭｏＯx与 ＳＣＢ 终止时间差 值增大。 充电电压小于一定值后，ＳＣＢ- Ａｌ／ ＭｏＯx的 终止时间较 ＳＣＢ 反而延长，其原因可能是因为低电 压激励下，桥区发火输出能量有限，不能迅速激发复 合薄膜反应，未反应的薄膜覆盖于桥区起到约束绝 热作用，致使 ＳＣＢ- Ａｌ／ ＭｏＯx等离子体加热时间延 长，终止时间长于 ＳＣＢ。 2． 2． 2 能量输出效率 在某一电压下，将样品发火输出能量与激发电 容的总能量之比定义为样品的能量输出效率，数学 表达式如式（１） η＝ Qｏｕｔ／ （CU ２ ／ ２）。（１） 式中C 为电容；U 为充电电压。 将测得的电流、电压随时间变化曲线相乘，并积 分可得到输入样品的电能 Qｉｎ，如式（２） Qｉｎ＝礏 t４ t０U（t） I（t）ｄt。 （２） 对于 ＳＣＢ，输出能量 Qｏｕｔ等于 Qｉｎ，而对于 ＳＣＢ- Ａｌ／ ＭｏＯx还需加上复合薄膜反应释放的能量，由于 直接测量复合薄膜释放能量较困难，故采用理论计 算，如式（３） Qｏｕｔ（ＳＣＢ- Ａｌ／ ＭｏＯx） ＝ Qｉｎ＋ SdρQ。（３） 式中S 为复合薄膜反应面积，通过测量发火后样品 表面薄膜燃烧反应面积获得，如图 ８ 红色线段包围 区域；d 为薄膜厚度；ρ 为薄膜密度，近似等于材料体 密度；Q 为薄膜 ＤＳＣ 放热量。 图 ８ ＳＣＢ- Ａｌ／ ＭｏＯx发火后形貌图 Ｆｉｇ． ８ Ｏｐｔｉｃａｌ ｉｍａｇｅ ｏｆ ｔｈｅ ｆｉｒｅｄ ＳＣＢ- Ａｌ／ ＭｏＯx 根据式（１）计算得到不同充电电压下 ＳＣＢ 与 ＳＣＢ- Ａｌ／ ＭｏＯx的能量输出效率，如图９ 所示。 图９中，ＳＣＢ的能量输出效率与充电电压呈高 次多项式关系，且最大效率未能超过５０％；ＳＣＢ- Ａｌ／ ＭｏＯx的能量输出效率随着电压的降低呈指数衰减 关系，衰减函数为 η＝０． １５３ ｅｘｐ（ U ／ ２６． １３４ ） ＋ ０． １０６。随着电压增大，等离子体加热时间增长，电 图９ ＳＣＢ 与 ＳＣＢ- Ａｌ／ ＭｏＯx在不同充电电压下 的能量输出效率 Ｆｉｇ． ９ Ｅｎｅｒｇｙ ｏｕｔｐｕｔ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｉｅｓ ｏｆ ＳＣＢ ａｎｄ ＳＣＢ- Ａｌ／ ＭｏＯxｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｃｈａｒｇｅ ｖｏｌｔａｇｅｓ 能作用于等离子体能量增大，加之复合薄膜反应面 积增大，输出能量亦增大，致使 ＳＣＢ- Ａｌ／ ＭｏＯx的能 量输出效率随着电压的增大而增大。 相同激发条件 下，虽然 ＳＣＢ- Ａｌ／ ＭｏＯx的等离子体加热时间较 ＳＣＢ 缩短，致使电能作用于 ＳＣＢ- Ａｌ／ ＭｏＯx的能量小于 ＳＣＢ，但是，由于纳米复合薄膜反应放出大量热，致 使 ＳＣＢ- Ａｌ／ ＭｏＯx能量输出效率均大于 ＳＣＢ，其最大 效率甚至可达 ９５％以上。 较高的输出效率可实现 火工品低输入、高输出的目的，有利于火工品小型 化，且 ＳＣＢ- Ａｌ／ ＭｏＯx瞬时输出能量的增加有利于提 高火工品的点火能力。 2． 2． 3 双谱线测温和高速摄影 由于 ＳＣＢ 生成的等离子体温度高、尺寸小及速 度快，使用一般的温度测试方法很难进行测量，故选 用原子发射双谱线测温方法进行测量 ［１６- １８］ ，选择 ＣｕＩ ５１０． ５ ｎｍ、ＣｕＩ ５２１． ８ ｎｍ 两条原子谱线进行计 算，典型测温结果如图 １０ 所示。 图１０ ＳＣＢ 与 ＳＣＢ- Ａｌ／ ＭｏＯx在不同电压下温度 随时间变化曲线 Ｆｉｇ． １０ Ｃｕｒｖｅｓ ｏｆ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｈａｎｇｉｎｇ ｗｉｔｈ ｔｉｍｅ ｏｆ ＳＣＢ ａｎｄ ＳＣＢ- Ａｌ／ ＭｏＯxｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｃｈａｒｇｅ ｖｏｌｔａｇｅｓ 样品通电发火以后，温度迅速上升，ＳＣＢ 与 ＳＣＢ- Ａｌ／ ＭｏＯx等离子体温度在 ４５ Ｖ 时分别达到 ７０００ Ｋ 和 ５０００ Ｋ，３０ Ｖ 时分别达到 ４０００ Ｋ 与 ２０００ ４ 爆 破 器 材 Ｅｘｐｌｏｓｉｖｅ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ 第 ４２ 卷第６ 期 Ｋ，ＳＣＢ- Ａｌ／ ＭｏＯx等离子体温度较ＳＣＢ 提高近４０％； 等离子体温度在高温段持续一段时间后，随着等离 子体冷却而逐渐降低，４５ Ｖ 时，ＳＣＢ 与 ＳＣＢ- Ａｌ／ ＭｏＯx等离子体高温持续时间可达 １６０ μ ｓ，３０ Ｖ 时， ＳＣＢ- Ａｌ／ ＭｏＯx等离子体高温持续时间近 ６０ μ ｓ，而 ＳＣＢ 持续时间仅 ２５ μ ｓ。 此结果与高速摄影得到的 发火影像结果较为一致，如图 １１ 所示，图片采样率 为５００００ 帧／ 秒，时间间隔为 ２０ μ ｓ，充电电压为 ４０ Ｖ。 （ａ） （ｂ） （ａ） ＳＣＢ；（ｂ） ＳＣＢ- Ａｌ／ ＭｏＯx 图 １１ 高速摄影图像 Ｆｉｇ． １１ Ｈｉｇｈ ｓｐｅｅｄ ｃａｍｅｒａ ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ 比较样品发火图像，在发火初期 ２０ μ ｓ 时，ＳＣＢ 与 ＳＣＢ- Ａｌ／ ＭｏＯx桥区受电流激发而电离，均生成了 明亮的等离子体，等离子体尺寸接近 ２ ｍｍ，之后，随 着桥的熔断，ＳＣＢ 生成的等离子体快速冷却并消失， ６０ μ ｓ 后已经非常微弱，１００ μ ｓ 后完全消失；ＳＣＢ- Ａｌ／ ＭｏＯx中的 ＳＣＢ 电离生成高温等离子体，随后冲 破并点燃了覆盖于其上的 Ａｌ／ ＭｏＯx复合薄膜， Ａｌ 与 ＭｏＯx发生快速的铝热反应，放出大量的热，同时 随多晶硅电离产生的等离子体共同喷溅出大量的高 温火花，４０ μ ｓ 时已发现薄膜开始燃烧并溅射出高 温碎片，３００ μ ｓ 时仍然有薄膜碎片在燃烧。 相同激 发条件下， ＳＣＢ- Ａｌ／ ＭｏＯx较 ＳＣＢ 生成的等离子体温 度高，发火生成的火花量多，火花持续时间长，对于 提高火工品的点火能力十分有利。 3 结论 利用磁控溅射工艺，制备出层状结构清晰、放热 量达３２００ Ｊ／ ｇ 的 Ａｌ／ ＭｏＯx纳米复合薄膜，利用微细 加工技术，将复合薄膜集成于 ＳＣＢ 制备出含能半导 体桥 ＳＣＢ- Ａｌ／ ＭｏＯx。 发火实验表明ＳＣＢ- Ａｌ／ ＭｏＯx中的复合薄膜受 底层 ＳＣＢ 电离生成的高温等离子体激发而发生铝 热反应，反应放出的大量热加速了桥区的电离熔断 速率，致使终止时间较 ＳＣＢ 显著缩短；相同激发条 件下， ＳＣＢ- Ａｌ／ ＭｏＯx的能量输出效率高于 ＳＣＢ， ＳＣＢ- Ａｌ／ ＭｏＯx的最高输出效率甚至可达 ９５％以上。 双谱线测温结果显示， ＳＣＢ- Ａｌ／ ＭｏＯx发火生成 的等离子体峰值温度高于 ＳＣＢ，且薄膜的铝热反应 使 ＳＣＢ- Ａｌ／ ＭｏＯx发火时溅射出的火花量显著增加， 对提高火工品点火能力十分有利。 参 考 文 献 ［１］ Ｚｈａｎｇ Ｋ， Ｒｏｓｓｉ Ｃ， Ｐｅｔｒａｎｔｏｎｉ Ｍ， ｅｔ ａｌ．Ａ ｎａｎｏ ｉｎｉｔｉａｔｏｒ ｒｅａｌｉｚｅｄ ｂｙ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｎｇ Ａｌ ／ ＣｕＯ- ｂａｓｅｄ ｎａｎｏｅｎｅｒｇｅｔｉｃ ｍａｔｅ- ｒｉａｌｓ ｗｉｔｈ ａ Ａｕ／ Ｐｔ／ Ｃｒ ｍｉｃｒｏｈｅａｔｅｒ ［Ｊ］．Ｔｈｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ， ２００８， １７ （４） ８３２- ８３６． ［２］ Ｒｏｇａｃｈｅｖ Ａ Ｓ．Ｅｘｏｔｈｅｒｍｉｃ ｒｅａｃｔｉｏｎ ｗａｖｅｓ ｉｎ ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒ ｎａｎｏｆｉｌｍｓ［Ｊ］．Ｒｕｓｓｉａｎ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗｓ， ２００８， ７７ （１） ２１- ３７． ［３］ Ｒｏｇａｃｈｅｖ Ａ Ｓ， Ｍｕｋａｓｙａｎ Ａ Ｓ．Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ ｏｆ ｈｅｔｅｒｏｇｅ- ｎｅｏｕｓ ｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｓｙｓｔｅｍｓ （Ｒｅｖｉｅｗ） ［Ｊ］．Ｃｏｍｂｕｓ- ｔｉｏｎ， Ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ， ａｎｄ Ｓｈｏｃｋ Ｗａｖｅｓ， ２０１０， ４６（３） ２４３- ２６６． ［４］ 王亮， 何碧， 蒋小华，等． 多层膜自持反应的数值模拟 ［Ｊ］．含能材料， ２００９ （２） １- ４． Ｗａｎｇ Ｌｉａｎｇ， Ｈｅ Ｂｉ， Ｊｉａｎｇ Ｘｉａｏｈｕａ， ｅｔ ａｌ．Ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｔｈｅ ｐｒｏｐａｇａｔｉｎｇ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｏｆ ｒｅａｃｔｉｏｎ ｗａｖｅｓ ｉｎ Ａｌ ／ Ｎｉ ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒ ｆｉｌｍｓ［Ｊ］．Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｅｎｅｒｇｅｔｉｃ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ， ２００９ （２） １- ４． ［５］ Ｙａｎｇ Ｃｈｅｎｇ， Ｈｕ Ｙａｎ， Ｓｈｅｎ Ｒｕｉｑｉ， ｅｔ ａｌ．Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ Ａｌ ／ Ｎｉ ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒ ｅｎｅｒｇｅｔｉｃ ｆｉｌｍｓ［Ｊ］．Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ａ， ２０１３ １- ６． ［６］ Ｚｈｕ Ｐｅｎｇ， Ｓｈｅｎ Ｒｕｉｑｉ， Ｙｅ Ｙｉｎｇｈｕａ， ｅｔ ａｌ． Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａ- ｔｉｏｎ ｏｆ Ａｌ／ ＣｕＯ ｎａｎｏｅｎｅｒｇｅｔｉｃ ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒ ｆｉｌｍｓ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｗｉｔｈ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｂｒｉｄｇｅ ｆｏｒ ｉｎｉｔｉａｔｏｒ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ［Ｊ］． Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ， ２０１３， １１３（１８） １８４５０５- １８４５０５- ５． ［７］ Ｚｈｏｕ Ｘｉａｎｇ， Ｓｈｅｎ Ｒｕｉｑｉ， Ｙｅ Ｙｉｎｇｈｕａ， ｅｔ ａｌ．Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ Ａｌ／ ＣｕＯ ｒｅａｃｔｉｖｅ ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒ ｆｉｌｍｓ ａｄｄｉｔｉｖｅｓ ｏｎ ｅｘ- ｐｌｏｄｉｎｇ ｆｏｉｌ ｉｎｉｔｉａｔｏｒ ［ Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ， ２０１１， １１０（９） ０９４５０５- ０９４５０５- ６． ［８］ Ｚｈｕ Ｐｅｎｇ， Ｓｈｅｎ Ｒｕｉｑｉ， Ｙｅ Ｙｉｎｇｈｕａ， ｅｔ ａｌ．Ｅｎｅｒｇｅｔｉｃ ｉｇｎｉｔｅｒｓｒｅａｌｉｚｅｄｂｙｉｎｔｅｇｒａｔｉｎｇＡｌ ／ ＣｕＯｒｅａｃｔｉｖｅ ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒ ｆｉｌｍｓ ｗｉｔｈ Ｃｒ ｆｉｌｍｓ ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ， ２０１１， １１０（７） ０７４５１３- ０７４５１３- ５． ［９］ Ｚｈｕ Ｐｅｎｇ， Ｓｈｅｎ Ｒｕｉｑｉ， Ｆｉａｄｏｓｅｎｋａ Ｎ Ｎ， ｅｔ ａｌ．Ｄｉｅｌｅｃ- ｔｒｉｃ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｐｙｒｏｔｅｃｈｎｉｃ ｉｎｉｔｉａｔｏｒ ｒｅａｌｉｚｅｄ ｂｙ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｎｇ Ｔｉ／ ＣｕＯ- ｂａｓｅｄ ｒｅａｃｔｉｖｅ ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒ ｆｉｌｍｓ ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ， ２０１１， １０９（８） ０８４５２３- ０８４５２３- ６． ［１０］ 杨贵丽， 焦清介．双 Ｖ 型半导体桥电阻计算方法研 究［Ｊ］．火工品， ２００９（３） １- ５． Ｙａｎｇ Ｇｕｉｌｉ， Ｊｉａｏ Ｑｉｎｇｊｉｅ．Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｏｆ ｄｏｕｂｌｅ Ｖ- ｓｈａｐｅｄ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｂｒｉｄｇｅ ［Ｊ］．Ｉｎｉｔｉａｔｏｒｓ ａｎｄ Ｐｙｒｏｔｅｃｈｎｉｃｓ， ２００９（３） １- ５． ５ ２０１３ 年１２ 月 基于 Ａｌ／ ＭｏＯx纳米复合薄膜的含能半导体桥研究 付 帅等 ［１１］ 周彬， 秦志春， 毛国强． 半导体桥长宽比对其发火性 能的影响［Ｊ］．南京理工大学学报 自然科学版， ２００９， ３３（２） ２３５- ２３７． Ｚｈｏｕ Ｂｉｎ， Ｑｉｎ Ｚｈｉｃｈｕｎ， Ｍａｏ Ｇｕｏｑｉａｎｇ．Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｒａｔｉｏ ｏｆ ｌｅｎｇｔｈ ｔｏ ｗｉｄｔｈ ｏｆ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｂｒｉｄｇｅ ｏｎ ｉｔｓ ｆｉｒｉｎｇ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｎａｎｊｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ， ２００９， ３３ （２） ２３５- ２３７． ［１２］ Ｆｉｓｃｈｅｒ Ｓ Ｈ， Ｇｒｕｂｅｌｉｃｈ Ｍ Ｃ．Ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｅｎｅｒｇｙ ｒｅｌｅａｓｅ ｏｆ ｔｈｅｒｍｉｔｅｓ， ｉｎｔｅｒｍｅｔａｌｌｉｃｓ， ａｎｄ ｃｏｍｂｕｓｔｉｂｌｅ ｍｅｔａｌｓ ［ Ｒ ］． ＳａｎｄｉａＮａｔｉｏｎａｌＬａｂｓ． ，Ａｌｂｕｑｕｅｒｑｕｅ，ＮＭ （ＵＳ）， １９９８． ［１３］ 张文超， 张伟， 徐振相， 等．半导体桥的研究进展与 发展趋势［Ｊ］．爆破器材， ２００９， ３８（２） ２１- ２４． Ｚｈａｎｇ Ｗｅｎｃｈａｏ， Ｚｈａｎｇ Ｗｅｉ， Ｘｕ Ｚｈｅｎｘｉａｎｇ， ｅｔ ａｌ． Ｐｒｏ- ｇｒｅｓｓ ａｎｄ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｎ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｂｒｉｄｇｅ ｉｎｉｔｉａｔｏｒ ［Ｊ］．Ｅｘｐｌｏｓｉｖｅ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ， ２００９， ３８（２） ２１- ２４． ［１４］ 祝逢春，秦志春，陈西武，等． 半导体桥的设计分析 ［Ｊ］． 爆破器材， ２００４， ３３（２） ２２- ２５． Ｚｈｕ Ｆｅｎｇｃｈｕｎ，Ｑｉｎ Ｚｈｉｃｈｕｎ，Ｃｈｅｎ Ｘｉｗｕ， ｅｔ ａｌ．Ａｎａｌｙ- ｓｅｓ ｏｎ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｂｒｉｄｇｅ ｄｅｓｉｇｎ ［ Ｊ］．Ｅｘｐｌｏｓｉｖｅ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ， ２００４， ３３（２） ２２- ２５． ［１５］ 马鹏， 朱顺官， 徐大伟， 等．半导体桥电容放电特性 研究［Ｊ］．火工品， ２０１０（２） １- ４． Ｍａ Ｐｅｎｇ， Ｚｈｕ Ｓｈｕｎｇｕａｎ， Ｘｕ Ｄａｗｅｉ， ｅｔ ａｌ．Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｉｇｎｉｔｉｏｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒ ｏｆ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｂｒｉｄｇｅ［Ｊ］．Ｉｎｉｔｉａｔｏｒｓ ａｎｄ Ｐｙｒｏｔｅｃｈｎｉｃｓ， ２０１０（２） １- ４． ［１６］ Ｍａ Ｐｅｎｇ， Ｚｈａｎｇ Ｌｉｎ， Ｚｈｕ Ｓｈｕｎｇｕａｎ， ｅｔ ａｌ．Ｎｏｎ- ｐｌａｓｍａ ｉｇｎｉｔｉｏｎ ｏｆ ｌｅａｄ ｓｔｙｐｈｎａｔｅ ｂｙ ａ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｂｒｉｄｇｅ ａｎｄ ｉｔｓ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｗｉｔｈ ｐｌａｓｍａ ｉｇｎｉｔｉｏｎ ［Ｊ］． Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ， Ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ， ａｎｄ Ｓｈｏｃｋ Ｗａｖｅｓ， ２０１１， ４７ （１） １０３- １０９． ［１７］ 张琳， 冯红艳， 吴蓉， 等．瞬态小尺寸等离子体的判 断及光谱法表征［Ｊ］．兵工学报， ２００９，３０（１１） １４３５- １４３９． Ｚｈａｎｇ Ｌｉｎ， Ｆｅｎｇ Ｈｏｎｇｙａｎ， Ｗｕ Ｒｏｎｇ， ｅｔ ａｌ．Ｄｉａｇｎｏｓｉｓ ａｎｄ ｊｕｄｇｍｅｎｔ ｏｆ ｔｒａｎｓｉｅｎｔ ａｎｄ ｓｍａｌｌ- ｓｉｚｅ ｐｌａｓｍａ ｗｉｔｈ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｉｃ ｍｅｔｈｏｄ［Ｊ］．Ａｃｔａ Ａｒｍａｍｅｎｔａｒｉｉ， ２００９，３０ （１１） １４３５- １４３９． ［１８］ 冯红艳， 李艳， 张琳， 等．原子发射光谱双谱线法测 量半导体桥 （ＳＣＢ） 等离子体温度［Ｊ］．含能材料， ２００７， １５（２） １３４- １３６． Ｆｅｎｇ Ｈｏｎｇｙａｎ， Ｌｉ Ｙａｎ， Ｚｈａｎｇ Ｌｉｎ， ｅｔ ａｌ．Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｂｒｉｄｇｅ （ＳＣＢ） ｐｌａｓｍａ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｂｙ ｔｈｅ ｄｏｕｂｌｅ ｌｉｎｅ ｏｆ ａｔｏｍｉｃ ｅｍｉｓｓｉｏｎ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ ［Ｊ］． Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｅｎｅｒｇｅｔｉｃ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ， ２００７， １５（２） １３４- １３６． Characterization of Energetic Semiconductor Bridge Realized by Integrating Al／ MoOxNano Multilayer Films ＦＵ Ｓｈｕａｉ， ＺＨＵ Ｐｅｎｇ， ＹＥ Ｙｉｎｇｈｕａ， ＬＩ Ｄｏｎｇｌｅ， ＳＨＥＮ Ｒｕｉｑｉ Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｎａｎｊｉｎｇ ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ （Ｊｉａｎｇｓｕ Ｎａｎｊｉｎｇ， ２１００９４） ［ＡＢＳＴＲＡＣＴ］ Ａｎ ｅｎｅｒｇｅｔｉｃ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｂｒｉｄｇｅ， ＳＣＢ- Ａｌ／ ＭｏＯx， ｗａｓ ｍａｄｅ ｕｓｉｎｇ Ａｌ／ ＭｏＯxｎａｎｏ ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒ ｆｉｌｍｓ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｗｉｔｈ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｂｒｉｄｇｅ （ＳＣＢ） ｂｙ ｍｉｃｒｏ ｍａｃｈｉｎｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ ｍａｇｎｅｔｒｏｎ ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ， ａｎｄ ａｃｃｏｒｄｉｎｇｌｙ ｉｔｓ ｉｇｎｉｔｉｏｎ ｃａｐａｃｉｔｙ ｗａｓ ｅｎｈａｎｃｅｄ．Ｔｈｅ Ａｌ／ ＭｏＯxｆｉｌｍｓ ｗｅｒｅ ｉｄｅｎｔｉｆｉｅｄ ｂｙ ＳＥＭ， ＤＳＣ ａｎｄ ＸＰＳ．Ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｄｉｓｔｉｎｃｔ Ａｌ／ ＭｏＯxｍｕｌｔｉｌａｙｅｒ ｆｉｌｍｓ ａｒｅ ｆｏｒｍｅｄ ｂｙ ｍｅａｎｓ ｏｆ ｓｐｕｔｔｅｒ ｄｅｐｏｓｉｔｅｄ ｏｎ ａ ｌａｙｅｒｅｄ ｇｅｏｍｅｔｒｙ ． Ｔｈｅ ｈｅａｔ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｃｏｕｌｄ ｒｅａｃｈ ｔｏ ３２００ Ｊ／ ｇ， ｗｈｉｃｈ ｉｓ ６８％ ｏｆ ｔｈｅ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｖａｌｕｅ （４７０３ Ｊ／ ｇ）．ＭｏＯxｆｉｌｍｓ ｃｏｎｔａｉｎ ＭｏＯ３（３２％）， Ｍｏ２Ｏ５ （３７％） ａｎｄ ＭｏＯ２（３１％）， ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｉｎ ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ ｔｒｉｇｇｅｒｅｄ ｆｉｒｉｎｇ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ， ｔｈｅ ｔｅｒｍｉｎａｌ ｔｉｍｅ ｏｆ ＳＣＢ- Ａｌ／ ＭｏＯx ｒｅａｃｔｉｏｎ ｉｓ ｓｈｏｒｔｅｒ， ｗｈｉｌｅ ｔｈｅ ｅｎｅｒｇｙ ｏｕｔｐｕｔ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｉｓ ｈｉｇｈｅｒ ｔｈａｎ ｔｈｏｓｅ ｏｆ ＳＣＢ ．Ｍｏｒｅｏｖｅｒ， ｓｐａｒｋｓ ｉｎ ｔｈｅ ｆｉｒｅ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｏｂｖｉｏｕｓｌｙ， ａｎｄ ｔｈｅｉｒ ｄｕｒａｔｉｏｎ ｔｉｍｅ ｉｓ ｅｘｔｅｎｄｅｄ．Ｔｈｅ ｅｘｏｔｈｅｒｍｉｃ ｒｅａｃｔｉｏｎｓ ｉｎ Ａｌ ／ ＭｏＯxｆｉｌｍｓ ｓｕｓｔａｉｎ ＳＣＢ ｔｏ ｇｅｎｅｒａｔｅ ｐｌａｓｍａ ｏｆ ｈｉｇｈｅｒ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ． ［ＫＥＹ ＷＯＲＤＳ］ Ａｌ／ ＭｏＯxｎａｎｏ ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒ ｆｉｌｍｓ； Ｅｎｅｒｇｅｔｉｃ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｂｒｉｄｇｅ； Ｉｇｎｉｔｉｏｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒ； Ｐｌａｓｍａ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ６ 爆 破 器 材 Ｅｘｐｌｏｓｉｖｅ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ 第 ４２ 卷第６ 期