不同调制波长Cu/Ag多层膜硬度分析

用直流电沉积双槽法在纯铜基体上制备了不同调制波长的Cu/Ag多层膜,研究了多层膜硬度与调制波长之间的关系.实验结果表明,当调制波长位于600～300nm时,Cu/Ag多层膜的硬度与调制波长之间较好地符合基于位错塞积模型的Hall-Petch关系;当调制波长小于300 nm时,硬度与调制波长的关系偏离了HaU-Petch关系.由实验结果分析得出了Cu/Ag多层膜的位错稳定存在极限晶粒尺寸约为25 nm,与基于程开甲等人的位错稳定性理论得出的Ag晶体极限晶粒尺寸27 nm接近,验证了程开甲等人的位错稳定性理论.     

Cu/Ni多层膜中交变应力场对可动位错的制约

Cu／Ni多层膜的强化作用来自于多层膜结构中交变应力场对位错运动的约束．该交变应力场主要包括两部分：在共格界面处由于剪切模量差而导致的镜像力,以及多层膜内由于晶格常数差而形成失配位错网的应力．如果位错在膜层内运动的临界应力值小于交变应力场的约束,位错会被限制在单层膜内运动,多层膜被强化;反之,则位错很容易通过界面到达临近的膜层,多层膜开始出现弱化．交变应力场的变化幅值与多层膜的调制波长相关．理论计算结果表明,Cu／Ni多层膜的临界调制波长为1．9nm,但失配位错网的交变应力场在多层膜的调制波长λ=9nm时振幅达到极值．     

Cu/Ni多层膜强化机理的分子动力学模拟

运用分子动力学方法模拟了Cu／Ni薄膜结构在纳米压入和微摩擦过程位错的运动规律,探讨了薄膜结构中位错与界面的相互作用规律．结果表明：Cu／Ni多层膜结构中的层间界面会阻碍位错继续向材料内部扩展,阻碍作用主要来自于两个方面：界面失配位错网对位错运动的排斥阻力使其难以到达或穿过界面;由弹性模量差而产生的界面镜像力使位错被限制在Cu单层膜内运动．这种阻碍作用有利于提高Cu／Ni多层薄膜的力学性能．     

Pt／Co／Pt／Ni多层膜的结构与磁性

为了改变Pt/Co多层膜的磁光特性与磁性,插入与第三元素层是有效途径之一。我们研究表明,插入Ni可导致居里温度Tc的下降。所插的层最佳厚度为0．3－1．0nm,X射线衍射实验表明,插入Ni层后的样品具有良好的成层结构。Pt（111）峰与Co(111）峰的位置分别比纯Pt/Co相应的峰略向左移和向右移,这证明面间距分别是增大和缩小。磁性测定,由于Ni层的插入磁光克尔角θk略有增高,剩磁比与矫顽力的性能更好。     

[Co／Ti],[Co／Cu（Ni）]多层膜的结构与磁性

用双对向靶溅射方法制备了具有非晶磁性的「Ｃｏ／Ｔｉ」３０,「Ｃｏ／Ｃｕ（Ｎｉ）３０」两组多层膜,分别用Ｘ射线衍射,透射电镜和振动样品磁强计做了结构和磁性测量,在以非晶Ｃｏ和Ｃｉｕ－Ｎｉ合金构成的「Ｃｏ／Ｃｕ（Ｎｉ）」多层膜中,发现饱和磁化强度Ｍｓ随非磁性层厚度ｄｓ的增国发生振荡变化;在以非晶Ｃｏ和Ｔｉ构成的「Ｃｏ／Ｔｉ」多层膜中,ＭＳ和则随ｄｓ的增加而减小。     

Co／C多层膜的结构稳定性

用Ｘ射线衍射、透射电镜、Ｒａｍａｎ光谱、Ｘ射线光电子谱等测量方法研究了用对向靶溅射法制备的Ｃｏ／Ｃ多层膜的结构热稳定性．退火Ｃｏ／Ｃ多层膜的结构变化包括周期膨胀、非晶Ｃｏ层结晶、掠入射反射率变化以及化合物的形成．４００℃退火,周期膨胀主要是由于非晶碳层的石墨化．Ｃｏ／Ｃ系统的相分离造成掠入射反射率增强,可解释为Ｃｏ／Ｃ系统的正的混合焓．５００℃退火,Ｃｏ层的结晶和集聚导致了周期的异常膨胀和反射率的降低．此时界面处形成了少量的碳化物．     

金属纳米多层膜力学性能研究进展

新型功能材料及器件向小型化,集成化和复合化发展的趋势,使得尺寸在纳米尺度的层状材料和柔性多层器件在使用过程中的服役行为成为其发展的关键科学问题。本文结合作者近几年对Ag/M系列和Cu/M系列多层膜力学性能的研究工作,对金属纳米多层膜的微结构特征及其对力学性能的影响进行了回顾和总结,主要包括多层膜的晶粒形貌对其强化机制和塑性变形行为的影响,组元强度错配对多层膜硬化行为的影响,界面结构与其强度极值的关系、不对称界面结构引起的异常弹性模量增强和多层膜的室温蠕变机制及界面结构对蠕变性能的影响等几个方面,并对多层膜的力学性能研究进行了展望。     

调制周期对TaN/NbN纳米多层膜力学性能的影响

本研究选择钽和铌的氮化物作为个体层材料,利用FJL560CI2型超高真空射频磁控与离子束联合溅射系统制备TaN、NbN及-系列的TaN/NbN多层薄膜.通过XRD和纳米力学测试系统以及摩擦磨损仪分析了该体系合成以后的晶体结构,以及调制周期对机械性能的影响.结果表明:多层膜的纳米硬度值普遍高于两种个体材料混合相的硬度值;当调制周期为8.5 nm时,TaN/NbN多层膜达到最大硬度30 GPa,结晶出现多元化,多层膜体系的硬度、应力、弹性模量以及膜-基结合性能均达到最佳效果.     

组分调制Cu/Ni多层膜的合金化及其合金化镀层的耐蚀特性

采用双槽电沉积方法制备出了Cu/Ni多层膜。探讨了调制波长、热处理条件等对Cu/Ni多层膜合金化行为影响的规律,并借助于SEM和XRD等对Cu/Ni多层膜及其合金化镀层的结构与组成进行了分析表征。结果表明,利用Cu/Ni多层膜合金化方法可以制备出组织均一、成分均匀的Cu-Ni合金镀层,且多层膜调制波长的减小、热处理时间的延长及保温温度的升高均有利于Cu/Ni多层膜的合金化。此外,利用电化学综合测试技术对合金镀层的耐蚀行为进行了评估。结果表明,合金化后的Cu-Ni合金镀层比相应条件下的纯Cu镀层、Ni镀层具有更正的自腐蚀电位、更低的极化电流密度以及更小的腐蚀速率。     

调制周期对Ti/TiB_2多层膜的结构和力学性能的影响

采用磁控溅射法制备了Ti/TiB_2周期性(T=2,3,4,6,12)多层膜,利用X射线衍射仪、场发射扫描电子显微镜分析了薄膜的相结构和表面(断面)形貌,采用纳米压痕仪、多功能摩擦摩损试验机和显微硬度计研究了多层膜的纳米硬度、弹性模量、膜基结合力以及断裂韧性。结果表明:Ti/TiB_2多层膜具有清晰的纳米层状结构,薄膜表面致密平整,与基体保持着良好的物理结合。多层膜的硬度和弹性模量随着调制周期的增加而增大,在周期T=12时,多层膜的硬度和弹性模量达到最大值,分别为35.8和349 GPa;多层膜的断裂韧性随着周期的增加呈现出先增大而后减小的趋势,当周期T=6时多层膜的断裂韧性最好,其断裂韧度为2.17 MPa·m~(1/2)。分析认为多层膜中的Ti子层可使裂纹尖端产生钝化作用,从而引起裂纹扩展路径发生偏转,提高了多层膜的断裂韧性。     

Hall-Petch��ϵ�������Ƶ��������÷�Χ����

 Hall和Petch首先通过试验数据归纳出多晶材料的外加切应力与晶粒直径平方根的倒数呈线性关系,即Hall Petch关系。但至今此关系的推导仍很粗略,也没有明确的适用范围。建立合理的位错塞积模型,从理论上推导出Hall Petch关系,并讨论它的适用范围,得到适用的上临界尺度dmax和下临界尺度dmin,为材料的力学性能分析,及材料的合成与加工提供必要的理论数据和参考依据。     

论位错的稳定存在

阐述了Thomas-Fermi-Dirac-Cheng电子理论的位错形成机制。通过对系统总能量的分析提出了位错能够存在的判据,计算给出多种单质材料位错存在的极限尺寸值。     

超细晶低碳钢热连轧板中的Hall Petch关系研究

 研究了355MPa级超细晶低碳钢热连轧板拉伸性能和晶粒尺寸之间的关系,结果表明屈服强度σs与晶粒尺寸d成Hall Petch关系;经验证,对晶粒尺寸在3μm～10μm范围的低碳钢热连轧板,其屈服强度σs的计算值与测量值偏差较小,Hall Petch关系具有很好的适用性。     

退火时间对冷轧态Ti86.5Nb7.5Mo4Sn2合金显微组织及其超弹性的影响

用水冷铜模吸铸法制备Ti86.5Nb7.5Mo4Sn2(at%,下同)合金,将合金在室温下进行了冷轧(变形量为80%),然后在973 K,不同保温时间下对合金进行了退火。研究了退火时间对合金显微组织及其超弹性的影响。结果表明,冷轧后得到了晶粒细长的变形组织,该组织在973 K下固溶处理后发生了再结晶,形成了细小的等轴晶粒组织。冷轧后的合金组织主要由β相以及少量的α′′相组成,而固溶后的合金组织主要由β相以及少量的α相和α′′相组成。随着固溶时间延长,合金的晶粒尺寸逐渐增大。固溶处理后的合金在室温下表现出超弹性,其马氏体诱发临界应力σSIM与晶粒尺寸的关系满足Hall-Petch方程。因此,减小合金晶粒尺寸,可有效提高合金的超弹性性能。     

Dislocation density simulations for bulk single crystal growth process

Computer simulations of the dislocation density during Czochralski (CZ) single crystal growth were performed for silicon crystals with 8-inch or 10-inch diameter using a finite element computer code developed by the authors. In the computer code, a dislocation kinetics model called the Haasen-Sumino model was used for the constitutive equation of a crystal at elevated temperatures. The computer code provides the dislocation density distributions and stress distributions during the CZ growth process. In the simulations, two values for the Young’s modulus for the silicon single crystal were used in order to examine the effect of the Young’s modulus on the dislocation density.     

Frank-Read位错源的细观级模拟

为了在细观尺度上更好地模拟Frank-Read(FR)位错源的演化,本文改进了三维(3D)离散位错动力学模型中相邻位错段间作用力计箅方法和位错线的离散化方法.模拟结果表明,所改进的位错动力学模型能更准确地模拟不同初始长度的FR位错源的临界剪切应力和临界组态.并且加载应力越大,FR位错源形成的位错环越小,并逐渐接近不考虑位错段间相互作用力时所形成的位错环.在相同加载应力时,Peierls应力越大,形成的位错环也越大.阻尼系数只影响位错环形成的时间,而不影响形成的大小.位错的这种非线性演化方式,是位错段间存在相互作用力引起的.     

边界条件对离散位错动力学模拟疲劳Cu单晶位错花样的影响

利用二维离散位错动力学方法,研究了边界条件对计算机模拟疲劳Cu单晶位错花样的影响．结果表明：边界条件在模拟位错花样这类多体问题时是非常重要的;在其它模拟机制均完全相同的情况下,不同边界条件会形成不同的模拟结果,自由空间边界条件是最简单、也是最不现实的边界条件,模拟结果与实验结果相差甚远;而一维最近邻周期性边界条件与二维近邻周期性边界条件的模拟结果基本相同,与Cu单晶早期疲劳位错花样的实验比较吻合．     

纳米压痕过程的多尺度模拟与Rice-Thomson位错模型分析

采用多尺度准连续介质法（简称QC方法）对单晶Ag薄膜纳米压痕过程进行模拟,研究压头宽度对纳米压痕过程中接触应力分布、位错形核临界载荷以及纳米硬度的影响,并用Rice-Thomson位错模型（简称R-T位错模型）进行分析。结果表明,纳米压痕获得的载荷-位移曲线呈现出的不连续性与位错之间的协同作用密切相关;压头尺寸对纳米压痕过程中接触应力分布、位错形核临界载荷以及纳米硬度具有明显的影响：随着压头宽度的增加,法向和切向接触应力以及纳米硬度值递减,呈现出明显的压头尺寸效应;而压头下方薄膜内位错形核临界载荷却递增,且与压头半宽度的平方根成正比。模拟结果与相应实验结果以及R-T位错模型计算结果吻合