1.立方形态共格析出的耐高温铜基超合金设计

学术贡献一：将立方形态共格析出强化机制引入耐高温铜基超合金设计，获得了软化温度高于1000度的常规耐热Cu合金，使我国在高温Cu合金领域形成有原创性和核心专利的自主知识产权，目前已初步应用于军工领域。

在宽的成分范围内，通过成分及热处理工艺调控获得了一系列立方状γ′共格析出强化Cu_{100- y}(Ni_3/4Al _1/4)_y (20at.%≤(Ni+Al) content≤50at.%)合金。这些合金具有优异的综合力学性能，高熔点，以及1273K或大于1273K的软化温度。升温中，由于γ′相的裂解，合金硬度和屈服强度随温度的升高而增加。结合AFM表面电流模式和微观结构三维重建确定了Cu_{100- y}(Ni_3/4Al _1/4)_y合金的导电主体仍然是γ相。合金变温电阻率结果显示立方状γ′相的析出可提高合金电阻率的热稳定性。与其它铜合金相比，立方γ′相共格沉淀强化合金在高温、重载等苛刻的使役环境下具有巨大的潜力。

这部分工作得到国家自然科学基金面上项目52071052的支持，获得发明专利两项，研究成果发表在Acta Materialia，Journal of Alloys and Compounds等期刊上。

  2. 高稳定性低电阻率Cu合金薄膜的制备及表征

学术贡献二：针对超大规模集成电路Cu互连的瓶颈问题，根据中性合金化原理，将难溶元素经化学近程序稳定分散在Cu晶格中，提高稳定性的同时兼顾导电性，有效简化了Cu导线制备工艺，获得了高稳定性、低电阻率的三元Cu合金薄膜。

Cu种籽层中直接加入少量元素来制备无扩散阻挡层Cu互连结构是超大规模集成电路发展的一个重要方向。将稳定固溶体团簇模型应用到无扩散阻挡层Cu互连薄膜中。采用磁控共溅射法，选择Mo、Nb、Sn等作为第三组元，制备共掺杂的稀Cu合金薄膜，研究掺杂成分和相应的团簇结构对Cu膜的微结构和性能的影响。证明了(MNi₁₂)团簇这种掺杂方式可以有效抑制退火过程中的Cu-Si互扩散，并且不阻碍Cu的再结晶和晶粒长大，在提高稳定性的同时保持较好的电性能。高稳定性低电阻率Cu合金薄膜的制备成功，简化了现有的Cu导线制备工艺，有效地降低整体电阻。

这部分工作得到国家自然科学基金面上项目51271045和辽宁省自然科学基金的支持，研究成果发表在Applied Physics Letters，Applied Surface Science, Surface & Coatings Technology，Journal of Materials Research和Journal of Electronic Materials等期刊上。获得PCT国际专利一项（主权国家：美国和中国）。

    3. 易反偏析Cu-Ni-Sn合金成分设计及制备

学术贡献三：针对高功率电子元器件精密接插端子用铜合金带材的国家重大需求，实现其国产化，利用稳定固溶体团簇模型优化设计了合金成分，解决了Cu-Ni-Sn合金的不连续析出问题，建立了三元成分解析方法，为多组元合金设计提供理论依据。

由于组元间的熔点相差较大，Cu-Ni-Sn系合金会在凝固时产生严重的偏析，且在时效时有大量的不连续析出相生成，破坏其使用和加工性能。本研究基于近程有序团簇结构模型选择Si作为第四组元设计了Cu₈₀Ni₁₅Sn_5-xSi系列合金，从成分设计角度来解决这一问题。添加Si可减小Cu₈₀Ni₁₅Sn₅合金的固液相线间距，且当Si在合金中处于固溶状态时效果最为明显；同时Si可以抑制时效时不连续析出相的产生。在此基础上，选择可固溶金属元素Zn和Co作为第四组元进行成分设计。比较得出，添加Zn有相对较好的抑制不连续析出相的效果，它以团簇固溶于Cu基体中，具有较好的固溶强化效果、较小地影响合金导电性、较突出地高温稳定性以及长时间时效后的综合性能优势，证实了它可以作为Cu-Ni-Sn体系合金多组元化的良好候选元素。

这部分工作受到国家重点研发计划(2017YFB0306100)资助；研究成果发表在Materials&. Design和Intermetallics等期刊上。

    4.半导体型金属硅化物薄膜材料研究

  学术贡献四：利用团簇模型解析了非晶Fe-Si局域结构与性能的关联，首次设计制备了Fe-Si基三元半导体非晶薄膜，填补了常规元素构成的窄带隙非晶半导体材料的空缺。

非晶FeSi₂有望替代晶态β-FeSi₂，实现铁硅化物在能源领域的大规模应用。由于非晶FeSi₂光电性能强烈依赖于非晶态中的短程有序，我们利用非晶合金成分设计的团簇线判据做指导，选择了合适的第三组元对FeSi₂进行合金化，在非晶态Fe₄Si_8-zAl_z系，(Fe₃M₁) _xSi_y(M = B、Cr、Ni、Co)系三元薄膜及块体材料的研究中，首次获得了具有半导体性能的Fe-Si-Al、Fe-Si-B、Fe-Si-Cr系三元非晶薄膜，明确了上述非晶薄膜的制备工艺。

这部分工作得到获得辽宁省自然科学基金20170540178的支持。研究成果发表在Journal of Alloys and Compounds、Thin Solid Films和物理学报等期刊上，获得发明专利3项。

此外，利用申请人的微结构分析特长，与表面物理与化学国家重点实验室、法国南锡矿院、梅兹大学以及台湾科技大学间保持交流合作。与Grosdidier教授共同研究强流脉冲电子束处理下材料发生的微结构变化，与朱槿教授共同进行无扩散阻挡层Cu合金薄膜的研究，结合联合培养学生的工作情况经常进行互访。交流的研究成果发表在多篇SCI论文中。