高功率MEMS開關芯片超長壽命材料研究獲進展

在手機乃至航天器中，藏著重要的微觀“開關世界”——微機電系統的開關芯片。其核心是比頭發絲細的“微懸臂梁”，可以把它想象成一個每秒不停彈跳數千次的微型彈簧。如何讓這個微型彈簧承受住上百億次的彎曲而不失效，是需要解決的核心問題。近日，中國科學院金屬研究所研究團隊，研制出了納米晶層狀復合材料，為微懸臂梁穿上了神奇的 “自修復鎧甲”。

芯片內微型彈簧每一次的彈跳，對應著電路的“開”或“關”，其性能決定著設備的可靠性與壽命。這好比要求一個彈簧每秒被按壓一次，要連續工作十年甚至三十年而毫發無傷——這對材料的性能提出了極高的要求。金的導電性好、易于加工。因此，業界首選的材料是金及其合金。但是，金的缺點很致命——太“軟”了。用金及其合金做的“微彈簧”，在經歷極端頻繁的彈跳后，很容易疲勞、變形，無法滿足未來高端設備對功率和壽命的嚴苛要求。為此，研究團隊開發了由納米尺度的鎳層和鎳鎢合金層交替疊加而成的新材料。它并非單一金屬，而像一塊極其微型、精巧的“千層餅”。

將金屬做到納米晶級別，意味著需要極高的強度。但這項研究的關鍵在于“千層餅”結構，在承受億萬次疲勞載荷時，內部會發生動態的、智能的“自我”調節與修復。團隊利用自主研發的測試系統，驗證了材料內部的奇妙變化：在循環受力過程中，材料界面處的原子開始“搬家”。鎳原子會從平滑異質界面向粗糙異質界面擴散。這一方式具有兩個優勢：粗糙界面附近形成了 “貧鎢區”（鎢含量變少），這片區域變得更軟，像一層緩沖墊，增強了不同材料層之間的變形協調性，避免了應力集中；在平滑界面附近留下了“富鎢區”（鎢含量變多），為第二種機制創造了條件。“富鎢區”降低了材料的“層錯能”，可激發材料內部動態、持續地生成大量納米孿晶和層錯。將這些“納米孿晶”想象成材料內部長出來的、極其細微的強化筋，可有效阻擋和分散疲勞損傷，防止塑性應變累積。兩種機制協同工作，如同給材料同時配備了“動態緩沖層”和“持續生長的強化筋”，延緩了疲勞裂紋的產生和擴展，實現了超長壽命。這種新型納米層狀復合材料在數十億次超高周疲勞測試中，其壽命優于當前主流微機電系統開關材料，與規定的門檻值相比，超長周次疲勞耐久性提升約60%，突破了技術瓶頸。

研究團隊與相關企業合作，將這種高性能材料制備工藝與現有微機電系統芯片制造流程相兼容，實現了新型微機電系統開關芯片制造技術的突破，有望為未來制造高線性度、低損耗的高功率射頻/微波固態開關及射頻繼電器芯片，提供新的材料設計思路。微觀世界里“小彈簧”的壽命突破，或正悄然改變著未來世界。

相關研究成果發表在《材料學報》（Acta Materialia）上。研究工作得到中國科學院先導專項和云南省科技計劃項目的支持。

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