一般传统合金是以一种金属为主,使其只形成一种固溶基体为主相,若合金元素种类较多时易产生金属间化合物,使合金性能变差。而由多主元素组成的高熵合金(定义高熵合金须具有五个以上主要元素,且每个主元素原子百分比应介于5%至35%,而每个次要元素则小于5%。) 因为高熵效应增进了元素间的相容性,从而避免发生相分离而导致合金中端际固溶体或金属间化合物的生成,使高熵合金通常只形成几种固溶体或者甚至单一相,不但较容易分析,且更具应用性 [1 2];除此之外,由于高熵合金是由多种不同大小和化学性质的元素所组成,因此必然会造成严重的晶格应变和迟滞扩散,有利于增加合金的强度跟结构稳定性。高熵合金是台湾在国际材料研究学术领域中极少数能够居于领先地位的项目,所展现特殊多元化的物理或机械性质,目前已受到各国学者的注目,更已应用在镀膜领域上。
多元高熵合金薄膜的制备由于元素组成多而复杂,若要成长出高品质的薄膜,最简单的方式则是直接使用真空电弧熔炼法或粉末冶金法制作靶材,然后以磁控溅镀法制备高熵合金薄膜;直至目前已能证明若能借由适当的合金材料设计,结合高熵合金特殊性质,便能扩展其薄膜应用价值。在大部分的研究中,高熵合金薄膜通常具有非晶质结构,高的热稳定性和优越的机械性质,其中ZrTaTiNbSi薄膜即使退火至1173 K,仍维持非晶质结构(图一)[3],具有极高的玻璃形成能力;将其应用于铜制程扩散阻障层上,在温度高达1073K下,铜膜仍未失效,表现出相当优异的阻障能力(图二)[4],为IC铜制程提供了突破性的发展。除此之外,高熵合金薄膜也已经开始被应用在腐蚀工业[5]以及生物相容性测试上[6]。由以上介绍可预见其所展现出的优良特性将对未来工业带来极大助益。
图一、ZrTaTiNbSi薄膜于不同温度退火后之X-ray图。[3]