納米多層膜高溫下微結(jié)構(gòu)的演化.pdf

1、研究和掌握納米多層膜高溫下微結(jié)構(gòu)的演化規(guī)律能夠?yàn)榧{米多層膜的設(shè)計(jì)，性能的改進(jìn)以及使用壽命的預(yù)測(cè)提供有用的指導(dǎo)。本文對(duì)完全互溶(比如Mo/V)和不互溶(比如Cu/Nb)兩類納米多層膜的微結(jié)構(gòu)演化進(jìn)行了詳細(xì)的熱力學(xué)分析和動(dòng)力學(xué)模擬。對(duì)于互溶多層膜，通過(guò)建立互擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)的一般性理論，研究了共格應(yīng)力和空位源對(duì)多層膜界面銳化以及混溶速率的影響作用;對(duì)于不互溶多層膜，通過(guò)建立相界，晶界以及三叉點(diǎn)等微結(jié)構(gòu)協(xié)同演化動(dòng)力學(xué)模型，研究了“Z”字型層狀微結(jié)構(gòu)

2、的形成機(jī)理及其穩(wěn)定性因素。本文的主要研究?jī)?nèi)容及取得的成果如下:
　　 1.建立了成分場(chǎng)-應(yīng)力場(chǎng)耦合的共格納米多層膜互擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)模型，考慮了如下四個(gè)因素對(duì)擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)的影響:
　　 (1)擴(kuò)散勢(shì)和擴(kuò)散遷移率對(duì)應(yīng)力的依賴關(guān)系;
　　 (2)擴(kuò)散勢(shì)和擴(kuò)散遷移率對(duì)成分的依賴關(guān)系;
　　 (3)成分非均勻分布導(dǎo)致的各向異性彈性非均勻;
　　 (4)空位源的性質(zhì)及分布。
　　 擴(kuò)散勢(shì)直接通過(guò)體系總自由能

3、（化學(xué)能和彈性能之和）對(duì)成分的泛函求導(dǎo)得出，概念簡(jiǎn)單且數(shù)學(xué)操作容易，其表達(dá)式與文獻(xiàn)中采用其它方法但涉及到許多數(shù)學(xué)變換或需要較先進(jìn)理論支持而推導(dǎo)出的表達(dá)式一致。擴(kuò)散遷移率被描述為空位形成能和空位遷移能的函數(shù)，而二者都和局部的應(yīng)力和成分相關(guān)。各向異性彈性非均勻性通過(guò)相場(chǎng)微彈性理論吸收至模型中，該理論能夠有效地求解彈性與結(jié)構(gòu)非均勻體中的應(yīng)力場(chǎng)。多層膜內(nèi)空位源分布的兩種極限情形在本文中得到了考慮:
　　 (a)多層膜體系存在密集而均勻分

4、布的諸如位錯(cuò)晶界之類的空位源;
　　 (b)多層膜體內(nèi)無(wú)空位源分布。
　　 情形(a)又被分為三種情況:
　　 (a1)空位源分布在與界面平行的方向上;
　　 (a2)空位源分布在于界面垂直的方向上;
　　 (a3)空位源均勻地分布在各個(gè)方向。
　　 這些空位源被認(rèn)為具有理想活度，使空位濃度一直處于平衡態(tài)，是局部成分和應(yīng)力的函數(shù)，但在沒(méi)有空位源存在的情況下，空位濃度將偏離其平衡濃度值。若引

5、入空位產(chǎn)生率的一般表達(dá)式，該模型還能擴(kuò)展至研究非理想空位源情況下的互擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)。
　　 2.利用本文建立的動(dòng)力學(xué)模型，完整地描述了共格Mo/V和Cu/Ni多層膜中的互擴(kuò)散過(guò)程，詳細(xì)闡述了共格應(yīng)力和空位源對(duì)多層膜界面銳化和混溶速率的影響作用。界面銳化是發(fā)生在互擴(kuò)散初始階段的暫態(tài)現(xiàn)象，由擴(kuò)散系數(shù)在界面上的強(qiáng)烈非對(duì)稱性的分布而造成，實(shí)際上起源于兩組元層中空位形成能和遷移能的巨大差異。空位源和共格應(yīng)力都可以通過(guò)改變擴(kuò)散系數(shù)的非對(duì)稱性程度

6、來(lái)影響界面銳化，但前者的影響程度要大于后者?？瘴辉吹囊肟梢燥@著增大界面銳化的程度，特別是在空位形成能差別較大但空位遷移能差別較小的二元多層膜體系中。共格應(yīng)力既可以促進(jìn)也可以抑制界面銳化:若拉（壓）應(yīng)力產(chǎn)生在具有較大（?。┛瘴恍纬赡芑蜻w移能的膜層中，該應(yīng)力分布將會(huì)促進(jìn)界面銳化;否則，抑制界面銳化。共格應(yīng)力通過(guò)改變擴(kuò)散勢(shì)和擴(kuò)散遷移率來(lái)影響混溶速率:當(dāng)空位源平行于界面分布或不存在時(shí)，共格應(yīng)力對(duì)擴(kuò)散勢(shì)的改變占主導(dǎo)地位;當(dāng)空位源垂直于界面分布或

7、均勻分布在各個(gè)方向時(shí)，共格應(yīng)力對(duì)擴(kuò)散遷移率的改變占主導(dǎo)地位?？瘴辉吹囊肟梢酝ㄟ^(guò)以下三個(gè)方面影響混溶速率:
　　 (1)允許空位總數(shù)目隨著擴(kuò)散的進(jìn)行而迅速減少，從而使體系的平均互擴(kuò)散系數(shù)降低，而在無(wú)空位源的情況下，由于空位總數(shù)目不會(huì)改變，體系的平均互擴(kuò)散系數(shù)幾乎不變;
　　 (2)改變速率控制組元的種類。在無(wú)空位源體系中慢組元的擴(kuò)散在整個(gè)混溶過(guò)程中占據(jù)主導(dǎo)地位，而在密集空位源體系中則是快組元的擴(kuò)散;
　　 (3)

8、產(chǎn)生的額外的應(yīng)力梯度抑制混溶過(guò)程，這發(fā)生在引入的空位源分布在垂直于界面的方向上或分布在各個(gè)方向。
　　 基于這些基本規(guī)律，本文得出:
　　 (1)若想通過(guò)短時(shí)退火處理來(lái)獲得具有較好界面銳化度的Cu/Ni和Mo/V多層膜，推薦Cu/Ni多層膜在制備時(shí)盡量多引入空位源且使界面處于非共格態(tài)，而Mo/V多層膜在制備時(shí)盡量多引入空位源并使界面處于共格態(tài);
　　 (2)若想使Cu/Ni和Mo/V多層膜的層狀結(jié)構(gòu)在高溫下維持時(shí)

9、間盡可能地長(zhǎng)，推薦Cu/Ni多層膜在制備時(shí)盡量少引入空位源且使界面處于共格態(tài)，而Mo/V多層膜在制備時(shí)盡量多引入空位源并使界面處于非共格態(tài)。
　　 3.建立了涵蓋相界互擴(kuò)散，晶界遷移，三叉點(diǎn)的非平衡運(yùn)動(dòng)以及三叉點(diǎn)與相界協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)的不互溶納米多層膜微結(jié)構(gòu)演化動(dòng)力學(xué)模型，并以此研究了Cu/Nb納米多層膜高溫下“Z”字型微結(jié)構(gòu)的形成機(jī)理及其穩(wěn)定性因素。該模型是對(duì)經(jīng)典熱致溝槽理論的進(jìn)一步拓展，表現(xiàn)在:
　　 (1)三叉點(diǎn)的遷移率是

10、有限大的，是溫度的函數(shù);
　　 (2)三叉點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方向取決于三叉點(diǎn)處非平衡的界面張力;
　　 (3)三叉點(diǎn)與鄰近相界點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)始終相協(xié)調(diào)，遵循物質(zhì)守恒的原則。
　　 此外，當(dāng)前模型還將文獻(xiàn)中對(duì)晶粒對(duì)齊構(gòu)型和半錯(cuò)開構(gòu)型這兩類多層膜微結(jié)構(gòu)演化的單獨(dú)處理統(tǒng)一在了一起，使之成為當(dāng)前模型研究的兩種極限情況。模擬結(jié)果顯示，“Z”字型微結(jié)構(gòu)的形成需要以下兩個(gè)條件:
　　 (a)多層膜的初始形貌須為晶粒同向錯(cuò)開構(gòu)型，即每上

11、層的晶粒相對(duì)鄰近下層往同一個(gè)方向錯(cuò)開，且錯(cuò)開尺寸小于半個(gè)晶粒長(zhǎng)度;
　　 (b)三叉點(diǎn)能沿偏離初始豎直晶界的路徑上運(yùn)動(dòng)，由三叉點(diǎn)處非平衡的界面張力來(lái)決定。
　　 通過(guò)改變初始結(jié)構(gòu)中的層厚與晶粒長(zhǎng)度的比值（即晶粒尺寸縱橫比）以及錯(cuò)開距離與晶粒長(zhǎng)度的比值，本文得到了Cu/Nb多層膜“Z”字型穩(wěn)定微結(jié)構(gòu)的形成圖譜，同時(shí)基于簡(jiǎn)化的幾何結(jié)構(gòu)考慮，推導(dǎo)出了不互溶多層膜“Z”字型微結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性判據(jù)，該圖譜和判據(jù)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果都符合得較好。