【摘要】：當金屬納米多層膜調制周期降低到一定程度時會出現(xiàn)超模量效應,然而其有限的韌性限制了應用。研究表明獲得異構金屬納米多層膜的共格界面能夠同時提高多層膜強度和韌性。課題組初步研究發(fā)現(xiàn)采用磁控濺射共沉積技術制備金屬納米多層膜(即自組裝多層膜)可以較易形成共格界面,但是自組裝形成機理還不清楚,因而深入研究自組裝多層膜結構和形成機制對實現(xiàn)多層膜結構與性能的調控具有重要的科學意義。本文采用磁控濺射共沉積技術制備了 Cu-Ta多層膜,借助XRD、XRR、SEM、TEM等對其微觀結構和周期結構進行了表征,研究了自組裝Cu-Ta多層膜的結構特點,初步揭示了其形成機制,利用納米壓痕技術對其力學性能進行了測試,探討了自組裝多層膜的力學性能及其塑性變形特征,為了拓展多層膜的應用,還探究了其熱學和摩擦學等性能。建立了磁控濺射共沉積Cu-Ta薄膜的非平衡相圖,在20～60 at.%Ta成分范圍內(nèi)為非晶結構,兩端分別為fcc、β-Ta固溶體結構;發(fā)現(xiàn)在20～75 at.%Ta范圍內(nèi)自發(fā)形成多層結構,符合自組裝過程。重點研究了 Cu-60 at.%Ta多層膜,發(fā)現(xiàn)其成分沿薄膜生長方向呈正弦規(guī)律連續(xù)變化,調制周期隨著樣品臺轉速增加單調減小,組元為非晶結構,具有類似于共格界面的特征。Cu和Ta間擴散系數(shù)差異以及其正的合金形成焓是自組裝金屬納米多層膜的形成原因。通過調控功率和樣品臺轉速,自組裝較交替沉積技術更易制備小周期且界面平直的金屬納米多層膜。自組裝Cu-Ta多層膜硬度隨Ta含量增加在非晶區(qū)域由于平均原子間距增大出現(xiàn)異常的平臺效應。自組裝Cu-60 at.%Ta多層膜硬度隨調制周期并未觀察到尺寸效應,而相同成分交替沉積多層膜由于其非共格界面具有明顯尺寸效應,且周期較小時兩種沉積方式下多層膜的硬度一致。自組裝Cu-Ta多層膜的電學和熱學性能均是由電子傳輸影響的,由于成分和結構對電子散射的影響,Cu-Ta多層膜電阻率隨成分呈“N”型變化,熱導率恰好相反。通過控制成分,調控工藝參數(shù),優(yōu)化界面結構和調制周期,可以獲得較好的熱導率和低的薄膜電阻。本文還提出了一種測量薄膜熱導率的新方法。自組裝Cu-87 at.%Ta多層膜因為具有較好的韌性,能有效避免磨屑的產(chǎn)生,使其耐磨性能較純Ta膜有較大幅度提升。自組裝多層膜在摩擦學方面具有較高研究價值。
【圖文】：

（ＩＩＩ）隨著單層厚度進一步減小至幾納米時，界面對位錯運動的阻礙作用占逡逑據(jù)主導，可以用界面強化（ｉｎｔｅｒｆａｃｅ邋ｂａｒｒｉｅｒ邋ｓｔｒｅｎｇｔｈ，邋ＩＢＳ）模型來解釋。上述三種不逡逑同尺度下相應位錯機制示意圖如圖１．３所示［１４］。逡逑（ｌ）Ｈａｌｌ－Ｐｅｔｃｈ邋規(guī)律逡逑當Ａ處于亞微米級別以上時，多層膜的界面對位錯運動的釘扎作用等同于晶逡逑界，這時可以用位錯塞積理論來解釋多層膜的強化現(xiàn)象。由于多層膜單層厚度存逡逑在可調控性，層內(nèi)晶粒的大小往往與單層厚度成比例，因此多層膜的硬度與尺度逡逑的關系可寫成下式：逡逑Ｈ邋＝邋Ｈ０邋

當Ａ低于幾十納米時，層內(nèi)位錯密度減小，無法形成位錯塞積，，此時逡逑Ｈａｌｌ－Ｐｅｔｃｈ公式失效。Ｍｉｓｒａ等提出了一個新的模型來解釋這個尺度范圍內(nèi)多層逡逑膜的強化機制，即ＣＬＳ模型。如圖１．３所示，作用在位錯上的應力不足以克服逡逑界面對位錯運動的障礙，使位錯無法穿越界面而只能局域在層內(nèi)并沿平行于界面，逡逑的方向滑移，使位錯在層內(nèi)開始滑移的最小應力可以由位錯彈性能推導出：逡逑ｒｄｓｂＵ＝２ＷＤ邐（１－４）逡逑‘式中６是位錯的伯氏矢量，Ｙ是平行于滑移面的單層厚度，的）是位錯的彈性能。逡逑以Ｃｕ層內(nèi)６０°位錯為例，位錯彈性能為：逡逑『，}玻耍蒎危á清義鮮街校崳淮硇靜殼虻某Ｊ�，ａ值越小说明位错徐o殼蛟嬌恚淮淼閱苠義顯叫�。将蕜Θ１．带入（１．４）可得：辶x希酰忮澹媯矗觶伲澹幔瑁В戾危義希ǎ椋叮╁義希茫蹋幽Ｐ

本文編號：2683373