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)測提供有用的指導(dǎo)。本文對完全互溶(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)分析和動力學(xué)模擬。對于互溶多層膜，通過建立互擴(kuò)散動力學(xué)的一般性理論，研究了共格應(yīng)力和空位源對多層膜界面銳化以及混溶速率的影響作用;對于不互溶多層膜，通過建立相界，晶界以及三叉點(diǎn)等微結(jié)構(gòu)協(xié)同演化動力學(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。本文的主要研究內(nèi)容及取得的成果如下:
　　 1.建立了成分場-應(yīng)力場耦合的共格納米多層膜互擴(kuò)散動力學(xué)模型，考慮了如下四個因素對擴(kuò)散動力學(xué)的影響:
　　 (1)擴(kuò)散勢和擴(kuò)散遷移率對應(yīng)力的依賴關(guān)系;
　　 (2)擴(kuò)散勢和擴(kuò)散遷移率對成分的依賴關(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)散勢直接通過體系總自由能

3、（化學(xué)能和彈性能之和）對成分的泛函求導(dǎo)得出，概念簡單且數(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相場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。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、布的諸如位錯晶界之類的空位源;
　　 (b)多層膜體內(nèi)無空位源分布。
　　 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)散動力學(xué)。
　　 2.利用本文建立的動力學(xué)模型，完整地描述了共格Mo/V和Cu/Ni多層膜中的互擴(kuò)散過程，詳細(xì)闡述了共格應(yīng)力和空位源對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?？瘴辉春凸哺駪?yīng)力都可以通過改變擴(kuò)散系數(shù)的非對稱性程度

6、來影響界面銳化，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)力分布將會促進(jìn)界面銳化;否則，抑制界面銳化。共格應(yīng)力通過改變擴(kuò)散勢和擴(kuò)散遷移率來影響混溶速率:當(dāng)空位源平行于界面分布或不存在時，共格應(yīng)力對擴(kuò)散勢的改變占主導(dǎo)地位;當(dāng)空位源垂直于界面分布或

7、均勻分布在各個方向時，共格應(yīng)力對擴(kuò)散遷移率的改變占主導(dǎo)地位?？瘴辉吹囊肟梢酝ㄟ^以下三個方面影響混溶速率:
　　 (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，而在無空位源的情況下，由于空位總數(shù)目不會改變，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。在無空位源體系中慢組元的擴(kuò)散在整個混溶過程中占據(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方向。
　　 基于這些基本規(guī)律，本文得出:
　　 (1)若想通過短時退火處理來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

9、間盡可能地長，推薦Cu/Ni多層膜在制備時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)動以及三叉點(diǎn)與相界協(xié)調(diào)運(yùn)動的不互溶納米多層膜微結(jié)構(gòu)演化動力學(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)中對晶粒對齊構(gòu)型和半錯開構(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條件:
　　 (a)多層膜的初始形貌須為晶粒同向錯開構(gòu)型，即每上

11、層的晶粒相對鄰近下層往同一個方向錯開，且錯開尺寸小于半個晶粒長度;
　　 (b)三叉點(diǎn)能沿偏離初始豎直晶界的路徑上運(yùn)動，由三叉點(diǎn)處非平衡的界面張力來決定。
　　 通過改變初始結(jié)構(gòu)中的層厚與晶粒長度的比值（即晶粒尺寸縱橫比）以及錯開距離與晶粒長度的比值，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，同時基于簡化的幾何結(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。