介觀多重孿晶金屬塑性變形的尺度與約束效應

《介觀多重孿晶金屬塑性變形的尺度與約束效應》是依託南京大學，由操振華擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：介觀多重孿晶金屬塑性變形的尺度與約束效應
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：操振華
• 依託單位：南京大學

項目摘要

介觀金屬晶體的力學性能對於微電子器件的工作可靠性具有重要影響。高強度是介觀金屬晶體的主要特性，由於受空間限制，位錯易滑移至表面而湮滅，難以纏結與塞積，無應變硬化行為，塑性很差。如何兼顧強度與塑性成為關鍵科學問題。大量研究表明，高密度孿晶和界面約束可分彆強化塊體金屬與薄膜的同時保持良好的塑性。受此啟發，本項目擬通過在介觀金屬晶體柱內引入具有交叉孿晶界面的高密度多重孿晶，提高位錯在孿晶界塞積；並且，在表面沉積非晶約束塗層，抑制位錯在表面湮滅，力圖獲得高強度與高塑性。重點研究內部多重孿晶與樣品幾何特徵尺度的協同效應，探索表面塗層提升應變硬化能力的約束行為，系統刻畫位錯與孿晶界面、表面相互作用以及位錯纏結、湮滅等微結構演化，構建微結構、幾何特徵尺度與力學性能之間的關聯模型，揭示介觀多重孿晶金屬應變強化的尺度與約束效應，闡明多重孿晶金屬強韌化新機制，為設計具有高強度與高塑性的介觀金屬提供科學依據。

結題摘要

經過四年的系統研究工作，順利完成課題計畫任務和預期目標。迄今，在該課題資助下共發表相關SCI論文12篇，申請中國發明專利1項，參加國內外學術交流會議7人次。取得的主要成果簡述如下： 介觀金屬材料的強度與塑性對於提高微電子與微器件的工作壽命與服役可靠性至關重要，事實上，兩者常常相互矛盾，強度的提高伴隨著塑性的下降。大量研究表明，引入孿晶可以提高材料的強度和塑性，但是，當材料幾何尺度減小到微納米尺度時，常規的引入單重孿晶，雖然強度提高了，卻並不能維持良好的塑性。我們通過直流磁控濺射法成功製備了具有不同晶粒尺寸與不同多重孿晶界密度的介觀金屬Cu薄膜，形成的共格多重孿晶主要為二重和五重孿晶，晶粒旋轉與堆垛層錯疊加成為多重孿晶形成的主導機制。統計多重孿晶的晶粒尺寸分布發現，隨著晶粒尺寸的減小，多重孿晶形成的機率增加，當孿晶形成機率增加到最大值後，繼續減小晶粒尺寸，孿晶形成機率反而下降，表現出明顯的反尺度效應，二重與五重孿晶的臨界晶粒尺寸分別為35 nm和45 nm。結合分子動力學模擬發現，界面遷移引起的晶粒生長與晶界轉換成交叉孿晶界之間的競爭是導致反尺度效應的內在原因。進一步通過納米壓縮實驗研究了交叉多重與平行單重孿晶Cu的力學行為，結果表明，平行孿晶金屬的強度隨著孿晶界密度的增大而增大，有趣的是，對於交叉多重金屬，在相同晶粒尺寸條件下，高密度的交叉孿晶界引起強烈的應變硬化效應，其最大的強度達到1.23 GPa，為平行孿晶的1.4倍，並且具有更高的應變硬化率。分子動力學模擬揭示，高應變硬化行為是交叉孿晶界在多個方向阻礙位錯運動以及L-C位錯鎖釘扎位錯這兩種機制共同作用的結果。通過以上研究，揭示了介觀多重孿晶金屬應變強化行為的尺度與約束效應，闡明了塑性變形行為的微觀機制，建立了多重孿晶金屬強化機制新理論，為設計具有高強度與高塑性介觀金屬提供了重要的科學依據。