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Nb-Ti、Ni-Ta和Ag-Ta纳米多层膜力学性能研究

赵宇新  
【摘要】:本文制备了Nb-Ti、Ni-Ta和Ag-Ta三种体系的多层膜,并通过多种实验手段分析了其力学性能随调制周期变化的规律;通过与文献中类似的体系进行比较,讨论了模量差异、混合热和协调应力等因素对不同体系多层膜硬度提高的作用。 Nb/Ti多层膜采用磁控溅射的方法制备,其硬度随着调制周期的减小先上升后下降,在周期为10nm时硬度达到最大,比长周期的样品高出了约10%。文献报道的V-Ti体系多层膜(协调应力大)与Nb-Ti体系(模量差异大)同为bcc-hcp结构,它们给出了类似的硬度变化趋势,但前者的硬度却提高了80%,表明在bcc-hcp结构的多层膜中,协调应力的强化作用比模量错配对硬度的贡献更加显著。Nb/Ti多层膜在一定真空度的退火后,多层膜的硬度提高了80%。分析表明,膜层中渗透了氧元素,并以弥散分布的氧化物形式存在于Nb中,以及间隙原子形式存在于Ti中。这导致了多层膜的硬度较大的提高,但退火并没有明显改变多层膜的电阻率。 Ni/Ta和Ag/Ta多层膜都是采用电子束蒸发的方式制备的。实验测得的多层膜硬度值都位于混合平均值以下,这是由于两个体系均有较大的强度错配,塑性形变容易在较软的金属层中发生(与Ta层相比,Ag或Ni层较软)。与长周期多层膜相比,随着调制周期的减小,Ni/Ta多层膜的硬度提高了16%,而Ag/Ta提高了121%。在两个体系中均观察到,在某些局部区域Ta不同程度地穿入到较软的Ag层或Ni层中,并且界面处含有少量的非晶结构。这种结构将随调制周期的减小而增加,它阻碍了塑性形变在较软金属层进行,从而提高了多层膜的硬度。由于Ni-Ta体系的混合热为负值,周期为4nm的Ni/Ta多层膜完全非晶化,并且形成了特殊的柱状结构,使得它的硬度有所下降。对于混合热为正的Ag/Ta多层膜,其在4nm调制周期下仍为多晶结构,并仍呈现出硬度的提高。通过与文献报道的Ag/Nb多层膜的综合比较,我们认为,正的混合热有助于强度错配较大fcc-bcc多层膜在小周期下的硬度提高。


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