近日，北京大学力学与工程科学学院力学系戴兆贺课题组在抑制金属薄膜高温破裂研究方面取得进展。研究团队提出了与常规薄膜制备工艺相兼容的范德华外延方法，实现了金属薄膜结构的织构化设计，使得薄膜结构的局部线张力由指向破裂转为指向愈合，大幅提升了金属薄膜的高稳定性。相关成果以“Van der Waals epitaxy suppresses thermal rupture in ultrathin metals”为题发表于《Nature Communications》。北京大学力学与工程科学学院王文祥为论文第一作者，戴兆贺为通讯作者。

金属薄膜广泛用于电子器件的电极、栅极和互连线等。随着先进器件集成度的提高，薄膜厚度的减小，薄膜的高温稳定性显著下降。传统多晶金属薄膜即使在远低于熔点的温度下，也会因晶界沟槽演化和表面扩散逐渐形成孔洞并发生破裂。与此同时，高集成度电子器件通常需要通过高温退火改善金属接触性能，例如先进半导体工艺集成通常需要承受最高约400 ℃的处理温度。因此，金属薄膜的高温失稳行为是限制电子器件加工窗口的决定性因素之一。

针对这一挑战，研究团队提出薄膜设计新思路：从金属生长阶段入手，直接调控其微观结构。研究团队在SiO2基底表面引入原子级厚度的石墨烯作为范德华模板，无需特殊制备工艺，仅采用常规电子束蒸镀，即可制备具有高温稳定性的织构化金属薄膜。实验发现，20 nm厚的传统多晶Au薄膜在300 ℃退火后会破裂形成孤立金属岛，而范德华模板诱导的织构Au薄膜在600 ℃下仍保持连续，并逐渐变得更加平整，拓宽了高集成度电子器件的高温加工窗口。

图1 范德华模板调控超薄金属薄膜的高温演化行为

研究团队进一步揭示了范德华外延提高超薄金属热稳定性的微观机制。EBSD表征显示，传统多晶Au薄膜晶粒取向较为随机，而范德华外延诱导形成了高度一致的Au(111)织构，并将晶界重构为以低角度晶界和重合位置点阵（CSL）晶界为主的低能晶界网络；球差校正扫描透射电子显微镜进一步在原子尺度验证了这一结构特征，织构Au薄膜即使在晶界交汇处仍保持良好的(111)取向一致性。低能晶界网络显著改变了晶界沟槽处的局部毛细力平衡，使原本驱动沟槽深化和薄膜破裂的物质输运转而促进表面展平和纳米孔洞闭合，从而使薄膜的高温演化由破裂转向自展平与自愈。

图2 传统多晶薄膜与范德华外延织构薄膜的微观结构对比

除Au薄膜外，该工作提出的范德华外延方法对Cu、Pd和Pt薄膜在高温下的晶粒粗化和表面粗化同样具有明显的抑制作用；同时，将石墨烯替换为MoS2后，也能够使Au薄膜表现出类似的高温稳定性。这些结果表明，通过范德华外延调控金属薄膜的生长微结构，为提升超薄金属热稳定性提供了一种具有材料拓展潜力的设计思路。

在此基础上，研究团队进一步将这一策略拓展至实际微纳结构和电子器件。对于宽度100 nm、厚度40 nm的Au纳米线，织构Au在700 ℃退火后仍能够保持连续，而传统多晶Au以及带有Ti黏附层的Au在高温退火过程中均会发生明显的Rayleigh–Plateau失稳并最终断裂。与此同时，织构Au纳米线的电阻率并未因高温退火而升高，反而随着退火后晶粒长大和晶界数量减少进一步下降，并逐渐接近块体金的电阻率。研究团队还利用大面积石墨烯制备织构Au电极和互连线，并进一步开展器件验证。基于织构Au薄膜的单壁碳纳米管射频二极管器件，可以经受700 ℃下多次高温退火，其导通电流在退火后甚至有所提升；相比之下，采用传统多晶Au薄膜互连的器件在约400 ℃就出现明显退化。

图3 范德华外延织构Au纳米线及电子器件的高温稳定性

该工作揭示了通过范德华外延调控晶体织构和晶界结构、进而改变超薄金属毛细演化方向的新机制，为理解固态薄膜的热失稳与自愈行为提供了新的物理图像，也为解决先进电子器件中金属接触、栅极和互连线的高温失效问题提供了新的设计思路。该方法兼容常规金属沉积和微纳加工工艺，并可获得具有高温稳定性和可转移性的超薄金属薄膜，有望应用于二维材料集成、高温微纳电子器件及高可靠金属互连等领域。

该研究得到国家自然科学基金和北京市自然科学基金的支持。

论文信息：

W. Wang, J. Wang, G. Wang, Z. Yin, C. Jiang, S. Zhou, C. Yu, J. Chen, K. Zheng, T. Salez, X. Wei, Z. Dai*. Van der Waals epitaxy suppresses thermal rupture in ultrathin metals. Nature Communications (2026).

https://doi.org/10.1038/s41467-026-77794-5