金属多层膜力学行为与其组元和尺寸效应

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1、SizeandConstituentEffectsonMechanicalBehaviorsofMetallicMultilayersAdissertationsubmittedtoXi’anJiaotongUniversityinpartialfulfillmentoftherequirementsforthedegreeofDoctorofEngineeringScienceByJinyuZhang(MaterialsScienceandEngineering)Supervisor:Profs.JunSun&GangLiuNovember2011摘要论文题目：金属多层膜力学行为及

2、其组元与尺寸效应学科专业：材料科学与工程申请人：张金钰指导教师：孙军教授、刘刚教授摘要金属薄膜材料由于其优异的力/电学性能，已成为目前高性能微元器件、微机电系统以及互连结构的核心材料体系，其在复杂的微加工制备和随后的服役过程中的变形损伤，是导致系统失效的关键因素。作为其组成单元，多层膜及其组元材料介观服役特性研究具有重要的科学意义和工程实用价值。本论文选取微电子器件中典型应用的Cu薄膜及Cu/X(X=Cr、Nb、Zr)多层膜材料为研究对象，系统研究了其介观尺度下的力/电学行为及相关的物理机理。通过单轴拉伸和机械疲劳实验系统研究了介观尺度Cu薄膜的力学性能。结果表明，Cu薄膜的屈服强度

3、以及疲劳行为（疲劳寿命与疲劳损伤）均表现出明显的尺寸依赖性。屈服强度以及疲劳寿命在某一临界尺寸下出现最大值。室温以及低应变速率下，纳米晶Cu薄膜呈现出变形孪晶的双反（晶粒）尺寸效应。根据经典的位错理论以及受激滑移模型，半定量解释了面心立方金属变形孪晶的双反（晶粒）尺寸效应。随着特征尺寸的减小，由于位错活动受到抑制以及可激活位错源的减少，疲劳损伤由位错滑移导致的挤出/侵入转变为与界面相关的损伤。在单轴拉伸实验过程中利用薄膜电阻实时测量法，初步探索了不同体系Cu/X纳米多层膜的变形与断裂行为及其尺寸效应。研究发现，Cu/X纳米多层膜的屈服强度强烈依赖于其特征结构参数（调制周期与调制比），

4、随调制周期的减小或者调制比的增加（即硬相体积分数增加）而增加，并伴随着变形机制的变化。这与通过约束层滑移模型和复合材料混合强度法则理论计算的结果相一致。由于软/延性相(Cu)对硬/脆性相(X)的异质约束作用，导致Cu/X纳米多层膜的延性以及断裂韧性随特征尺寸变化表现出奇异性，并且出现由张开型向剪切型断裂的转变。通过微观断裂力学模型定量阐述了软/延性相对硬/脆性相的约束作用对断裂行为的影响。此外，调制周期恒定的Cu/X纳米多层膜的强度与延性存在线性关系。界面约束越强（界面数量越多），线性关系的斜率越大。纳米压痕实验揭示了界面结构对Cu/X(X=Cr、Nb)纳米多层膜的硬度及压入模量的影

5、响。结果表明，Cu/X纳米多层膜的硬度呈现尺寸依赖性并随特征尺寸的减小达到饱和值，其变化趋势与屈服强度相同。与界面清晰的Cu/X多层膜单调变化的压入模量不同，界面混合（非晶）层导致Cu/X多层膜的压入模量出现最大值。通过考虑界面混合I本研究内容得到国家重点基础研究规划(973计划)项目(批准号：2010CB631003)、高等学校学科创新引智(111)计划项目(编号：B06025)、国家自然科学基金(编号：50971097)资助。西安交通大学博士学位论文（非晶）层引起的组元层晶面间距压缩以及自由体积这两个竞争机制的相互作用，定性解释了压入模量的这种异常变化。采用金属薄膜原位电阻变化法

6、，通过机械疲劳试验研究了Cu薄膜和Cu/X(X=Cr、Nb)纳米多层膜的疲劳性能。结果表明，与块体材料相似，Cu/X纳米多层膜的疲劳寿命与应变幅仍然遵循经典的Coffin-Mason疲劳关系式，这与Cu薄膜是一致的。合理的强度和延性匹配能够实现薄膜材料疲劳性能的最优化。由于层间异质界面对位错活动的强烈抑制，Cu/X纳米多层膜的疲劳损伤由晶界/界面主导。利用电阻四探针法系统研究了Cu/X(X=Cr、Nb)纳米多层膜的电输运行为及其尺寸效应。理论分析和实验结果均表明Cu/X纳米多层膜的电阻率均随着调制周期的减小而增加。界面结构可以显著影响纳米多层膜的电阻率。通过人工调控纳米多层膜的微观结

7、构可以实现其力-电综合性能的最优化。关键词：薄膜；力学行为；疲劳行为；电学性能；尺寸效应；论文类型：应用基础目录Title:SizeandConstituentEffectsonMechanicalBehaviorsofMetallicMultilayersSpeciality:MaterialsScienceandEngineeringApplicant:JinyuZhangSupervisor:Profs.JunSun&GangLiuABSTRACTT