Page 61 - 《摩擦学学报》2021年第5期

650 摩 擦 学 学 报 第 41 卷

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Morse势函数 ，其表达式见式(6)： Cu膜. 因此，本文中作者详细讨论CuNi多层膜的两种
E(r) = D(exp −2α(r−r o ) −2exp −α(r−r o ) ) (6) 半共格界面结构力学特性差异化机制. 首先需定量计
算材料两种界面结构硬度，并与共格区域的单晶铜和
式(6)中: D、 、
α r o 分别表示结合能系数、势能梯度
系数、平衡距离，C-Ni、C-Cu势参数参阅文献[23-24]， 单晶镍比对. 图3(a)为四种模型的硬度与压深曲线关
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系，硬度计算 根据H=F/S, F表示载荷, S表示接触面
具体值列于表1中.
积. 取图3(a)的压深h为0.5~2.5 nm范围内的硬度值求
表 1 C-Ni、C-Cu的Morse势具体参数选取 [23-24] 平均，得出图3(b)四种模型力学特性表征的硬度值.
Table 1 Parameters of Morse potential function are listed 从图3(b)知：Cu基Ni膜硬度(20.95 GPa)与单晶
for C-Ni and C-Cu interaction
Ni硬度(21.19 GPa)表现轻微差异，而Cu基Ni膜硬度
−1
Interface D/eV Α/(nm ) r o /nm
(20.95 GPa)却比单晶铜硬度(17.3 GPa)高了3.65 GPa，
C-Ni 1.009 4 19.875 0.256
结果表明: 在Cu基上镀Ni膜，可获得与单晶Ni硬度相
C-Cu 0.087 17.0 0.22
当，大幅度提高了Cu材料的硬度. 为进一步探究Cu基
1.3 位错类型识别 Ni膜硬度比单晶Cu高且和单晶Ni相当的主因，分析可
运用CNA方法 辨别压痕中位错类型，表征单晶 能受两方面影响: 一方面是基底上Ni膜尺寸厚度的影
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铜和单晶镍及铜镍多层膜变形微结构差异. 图2绿色 响，另一方面是Cu基Ni膜形成的半共格界面结构导
原子表示面心立方结构(FCC)，红色原子表示密排六 致. 对此，绘制出Ni膜厚度为7 a、10 a和13 a的载荷与
方结构(HCP)，蓝色原子表示体心立方结构(BCC)，白 压深曲线[见图4(a)]. 结果表明：Ni膜厚度为7 a、10 a和
色原子表示其他原子结构. 为更清晰观察位错原子演 13 a的载荷曲线随压深增加互相交替上升，曲线间未
化过程和半共格界面失配位错网构型，在可视化中删 表现出明显差异化，说明Ni膜的厚度不占主导. 极大
除FCC和BCC及其他结构类型，仅显示HCP结构. 由 可能是Cu基Ni膜半共格界面引入，使得该材料硬度与
于金属Cu和Ni为面心立方，经2 ns驰豫后，两模型会 单晶镍硬度相当，其机理见下文解释. 从图3(b)还可
在界面处形成共格区域[见图2(a)黄虚线框]及半共格 知：Ni基表面镀Cu膜硬度(16.22 GPa)比单晶Cu硬度
区域[见图2(b)黄虚线框]. 图2中绿色原子为面心立方 (17.3 GPa)却小了1.08 GPa，比单晶Ni硬度小4.97 GPa.

结构，双层红色原子表示堆垛层错. 表明Ni基Cu膜半共格界面引入会软化该材料，增强了

该材料的耐磨性. 可见，Cu基表面镀Ni膜和Ni基表面
2 结果与分析
镀Cu膜表现出截然不同的力学特性，其差异化机理解

2.1 半共格界面力学特性差异 释见下文阐述.
在铜镍多层膜中Cu/Ni/Cu/Ni······交替生长，在界 为探究铜镍半共格界面不同的力学差异本质，需
面中常出现两种半共格界面，即Cu基Ni膜和Ni基 着重考虑两方面因素：一方面是共格区域的单晶铜和

HCP BCC FCC Other
(a) (b)
Ni
Semi- Semi-coherent
coherent region
region

Cu

z z
y x y x

Fig. 2 Semi-coherent interface structure of Cu-Ni bilayer film: (a) semi-coherent interface of Cu based Ni film；(b) semi-coherent
interface of Ni based Cu film
图 2 铜镍双层膜半共格界面结构：(a) Cu基Ni膜半共格界面；(b) Ni基Cu膜半共格界面