自组装Cu-Ta多层膜及其性能研究
发布时间：2020-05-27 10:10
【摘要】：当金属纳米多层膜调制周期降低到一定程度时会出现超模量效应,然而其有限的韧性限制了应用。研究表明获得异构金属纳米多层膜的共格界面能够同时提高多层膜强度和韧性。课题组初步研究发现采用磁控溅射共沉积技术制备金属纳米多层膜(即自组装多层膜)可以较易形成共格界面,但是自组装形成机理还不清楚,因而深入研究自组装多层膜结构和形成机制对实现多层膜结构与性能的调控具有重要的科学意义。本文采用磁控溅射共沉积技术制备了 Cu-Ta多层膜,借助XRD、XRR、SEM、TEM等对其微观结构和周期结构进行了表征,研究了自组装Cu-Ta多层膜的结构特点,初步揭示了其形成机制,利用纳米压痕技术对其力学性能进行了测试,探讨了自组装多层膜的力学性能及其塑性变形特征,为了拓展多层膜的应用,还探究了其热学和摩擦学等性能。建立了磁控溅射共沉积Cu-Ta薄膜的非平衡相图,在20～60 at.%Ta成分范围内为非晶结构,两端分别为fcc、β-Ta固溶体结构;发现在20～75 at.%Ta范围内自发形成多层结构,符合自组装过程。重点研究了 Cu-60 at.%Ta多层膜,发现其成分沿薄膜生长方向呈正弦规律连续变化,调制周期随着样品台转速增加单调减小,组元为非晶结构,具有类似于共格界面的特征。Cu和Ta间扩散系数差异以及其正的合金形成焓是自组装金属纳米多层膜的形成原因。通过调控功率和样品台转速,自组装较交替沉积技术更易制备小周期且界面平直的金属纳米多层膜。自组装Cu-Ta多层膜硬度随Ta含量增加在非晶区域由于平均原子间距增大出现异常的平台效应。自组装Cu-60 at.%Ta多层膜硬度随调制周期并未观察到尺寸效应,而相同成分交替沉积多层膜由于其非共格界面具有明显尺寸效应,且周期较小时两种沉积方式下多层膜的硬度一致。自组装Cu-Ta多层膜的电学和热学性能均是由电子传输影响的,由于成分和结构对电子散射的影响,Cu-Ta多层膜电阻率随成分呈“N”型变化,热导率恰好相反。通过控制成分,调控工艺参数,优化界面结构和调制周期,可以获得较好的热导率和低的薄膜电阻。本文还提出了一种测量薄膜热导率的新方法。自组装Cu-87 at.%Ta多层膜因为具有较好的韧性,能有效避免磨屑的产生,使其耐磨性能较纯Ta膜有较大幅度提升。自组装多层膜在摩擦学方面具有较高研究价值。
【图文】：
（ＩＩＩ）随着单层厚度进一步减小至几纳米时，界面对位错运动的阻碍作用占逡逑据主导，可以用界面强化（ｉｎｔｅｒｆａｃｅ邋ｂａｒｒｉｅｒ邋ｓｔｒｅｎｇｔｈ，邋ＩＢＳ）模型来解释。上述三种不逡逑同尺度下相应位错机制示意图如图１．３所示［１４］。逡逑（ｌ）Ｈａｌｌ－Ｐｅｔｃｈ邋规律逡逑当Ａ处于亚微米级别以上时，多层膜的界面对位错运动的钉扎作用等同于晶逡逑界，这时可以用位错塞积理论来解释多层膜的强化现象。由于多层膜单层厚度存逡逑在可调控性，层内晶粒的大小往往与单层厚度成比例，因此多层膜的硬度与尺度逡逑的关系可写成下式：逡逑Ｈ邋＝邋Ｈ０邋
当Ａ低于几十纳米时，层内位错密度减小，无法形成位错塞积，，此时逡逑Ｈａｌｌ－Ｐｅｔｃｈ公式失效。Ｍｉｓｒａ等提出了一个新的模型来解释这个尺度范围内多层逡逑膜的强化机制，即ＣＬＳ模型。如图１．３所示，作用在位错上的应力不足以克服逡逑界面对位错运动的障碍，使位错无法穿越界面而只能局域在层内并沿平行于界面，逡逑的方向滑移，使位错在层内开始滑移的最小应力可以由位错弹性能推导出：逡逑ｒｄｓｂＵ＝２ＷＤ逦（１－４）逡逑‘式中６是位错的伯氏矢量，Ｙ是平行于滑移面的单层厚度，的）是位错的弹性能。逡逑以Ｃｕ层内６０°位错为例，位错弹性能为：逡逑『，}玻耍蒎危á清义鲜街校嵛淮硇静壳虻某Ｊ嶂翟叫∷得魑淮硇静壳蛟娇恚淮淼阅苠义显叫 ＝剑ǎ保担┐耄ǎ保矗┛傻茫哄义希酰忮澹妫矗觯伲澹幔瑁В戾危义希ǎ椋叮╁义希茫蹋幽Ｐ
本文编号：2683373
【图文】：
（ＩＩＩ）随着单层厚度进一步减小至几纳米时，界面对位错运动的阻碍作用占逡逑据主导，可以用界面强化（ｉｎｔｅｒｆａｃｅ邋ｂａｒｒｉｅｒ邋ｓｔｒｅｎｇｔｈ，邋ＩＢＳ）模型来解释。上述三种不逡逑同尺度下相应位错机制示意图如图１．３所示［１４］。逡逑（ｌ）Ｈａｌｌ－Ｐｅｔｃｈ邋规律逡逑当Ａ处于亚微米级别以上时，多层膜的界面对位错运动的钉扎作用等同于晶逡逑界，这时可以用位错塞积理论来解释多层膜的强化现象。由于多层膜单层厚度存逡逑在可调控性，层内晶粒的大小往往与单层厚度成比例，因此多层膜的硬度与尺度逡逑的关系可写成下式：逡逑Ｈ邋＝邋Ｈ０邋
当Ａ低于几十纳米时，层内位错密度减小，无法形成位错塞积，，此时逡逑Ｈａｌｌ－Ｐｅｔｃｈ公式失效。Ｍｉｓｒａ等提出了一个新的模型来解释这个尺度范围内多层逡逑膜的强化机制，即ＣＬＳ模型。如图１．３所示，作用在位错上的应力不足以克服逡逑界面对位错运动的障碍，使位错无法穿越界面而只能局域在层内并沿平行于界面，逡逑的方向滑移，使位错在层内开始滑移的最小应力可以由位错弹性能推导出：逡逑ｒｄｓｂＵ＝２ＷＤ逦（１－４）逡逑‘式中６是位错的伯氏矢量，Ｙ是平行于滑移面的单层厚度，的）是位错的弹性能。逡逑以Ｃｕ层内６０°位错为例，位错弹性能为：逡逑『，}玻耍蒎危á清义鲜街校嵛淮硇静壳虻某Ｊ嶂翟叫∷得魑淮硇静壳蛟娇恚淮淼阅苠义显叫 ＝剑ǎ保担┐耄ǎ保矗┛傻茫哄义希酰忮澹妫矗觯伲澹幔瑁В戾危义希ǎ椋叮╁义希茫蹋幽Ｐ
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