發(fā)布時(shí)間：2020-05-27 10:10

【摘要】：當(dāng)金屬納米多層膜調(diào)制周期降低到一定程度時(shí)會(huì)出現(xiàn)超模量效應(yīng),然而其有限的韌性限制了應(yīng)用。研究表明獲得異構(gòu)金屬納米多層膜的共格界面能夠同時(shí)提高多層膜強(qiáng)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(shù)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(jī)理還不清楚,因而深入研究自組裝多層膜結(jié)構(gòu)和形成機(jī)制對(duì)實(shí)現(xiàn)多層膜結(jié)構(gòu)與性能的調(diào)控具有重要的科學(xué)意義。本文采用磁控濺射共沉積技術(shù)制備了 Cu-Ta多層膜,借助XRD、XRR、SEM、TEM等對(duì)其微觀結(jié)構(gòu)和周期結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征,研究了自組裝Cu-Ta多層膜的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),初步揭示了其形成機(jī)制,利用納米壓痕技術(shù)對(duì)其力學(xué)性能進(jìn)行了測(cè)試,探討了自組裝多層膜的力學(xué)性能及其塑性變形特征,為了拓展多層膜的應(yīng)用,還探究了其熱學(xué)和摩擦學(xué)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(jié)構(gòu),兩端分別為fcc、β-Ta固溶體結(jié)構(gòu);發(fā)現(xiàn)在20～75 at.%Ta范圍內(nèi)自發(fā)形成多層結(jié)構(gòu),符合自組裝過(guò)程。重點(diǎn)研究了 Cu-60 at.%Ta多層膜,發(fā)現(xiàn)其成分沿薄膜生長(zhǎng)方向呈正弦規(guī)律連續(xù)變化,調(diào)制周期隨著樣品臺(tái)轉(zhuǎn)速增加單調(diào)減小,組元為非晶結(jié)構(gòu),具有類似于共格界面的特征。Cu和Ta間擴(kuò)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(guò)調(diào)控功率和樣品臺(tái)轉(zhuǎn)速,自組裝較交替沉積技術(shù)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(tái)效應(yīng)。自組裝Cu-60 at.%Ta多層膜硬度隨調(diào)制周期并未觀察到尺寸效應(yīng),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(yīng),且周期較小時(shí)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(xué)和熱學(xué)性能均是由電子傳輸影響的,由于成分和結(jié)構(gòu)對(duì)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(dǎo)率恰好相反。通過(guò)控制成分,調(diào)控工藝參數(shù),優(yōu)化界面結(jié)構(gòu)和調(diào)制周期,可以獲得較好的熱導(dǎo)率和低的薄膜電阻。本文還提出了一種測(cè)量薄膜熱導(dǎo)率的新方法。自組裝Cu-87 at.%Ta多層膜因?yàn)榫哂休^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(xué)方面具有較高研究?jī)r(jià)值。
【圖文】：

（ＩＩＩ）隨著單層厚度進(jìn)一步減小至幾納米時(shí)，界面對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻礙作用占逡逑據(jù)主導(dǎo)，可以用界面強(qiáng)化（ｉｎｔｅｒｆａｃｅ邋ｂａｒｒｉｅｒ邋ｓｔｒｅｎｇｔｈ，邋ＩＢＳ）模型來(lái)解釋。上述三種不逡逑同尺度下相應(yīng)位錯(cuò)機(jī)制示意圖如圖１．３所示［１４］。逡逑（ｌ）Ｈａｌｌ－Ｐｅｔｃｈ邋規(guī)律逡逑當(dāng)Ａ處于亞微米級(jí)別以上時(shí)，多層膜的界面對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的釘扎作用等同于晶逡逑界，這時(shí)可以用位錯(cuò)塞積理論來(lái)解釋多層膜的強(qiáng)化現(xiàn)象。由于多層膜單層厚度存逡逑在可調(diào)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(guān)系可寫成下式：逡逑Ｈ邋＝邋Ｈ０邋

當(dāng)Ａ低于幾十納米時(shí)，層內(nèi)位錯(cuò)密度減小，無(wú)法形成位錯(cuò)塞積，，此時(shí)逡逑Ｈａｌｌ－Ｐｅｔｃｈ公式失效。Ｍｉｓｒａ等提出了一個(gè)新的模型來(lái)解釋這個(gè)尺度范圍內(nèi)多層逡逑膜的強(qiáng)化機(jī)制，即ＣＬＳ模型。如圖１．３所示，作用在位錯(cuò)上的應(yīng)力不足以克服逡逑界面對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的障礙，使位錯(cuò)無(wú)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(cuò)在層內(nèi)開始滑移的最小應(yīng)力可以由位錯(cuò)彈性能推導(dǎo)出：逡逑ｒｄｓｂＵ＝２ＷＤ邐（１－４）逡逑‘式中６是位錯(cuò)的伯氏矢量，Ｙ是平行于滑移面的單層厚度，的）是位錯(cuò)的彈性能。逡逑以Ｃｕ層內(nèi)６０°位錯(cuò)為例，位錯(cuò)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．�(dān)┐耄ǎ保矗┛傻茫哄義希酰忮澹媯矗觶�，邋ａｈ＇ｌ逦．．辶x希ǎ椋叮╁義希茫蹋幽Ｐ

本文編號(hào)：2683373