Page 64 - 《摩擦学学报》2021年第5期

第 5 期 梁桂强, 等: 半共格界面铜镍双层膜力学差异机制纳观探析 653

SPDLOI

1/6[211]
SF
1/6[−11−2]
1/6[12−1]
1/6[−1−21]
1/6[1−12]
1/6[−2−1−1]
z z
y y
x x
(a) Cu based Ni film semi-coherent interface (b) Ni based Cu film semi-coherent interface

Fig. 7 Semi-coherent interface morphology on X-Y plane: (a) Cu based Ni film semi-coherent interface;
(b) Ni based Cu film semi coherent interface
图 7 X-Y平面半共格界面形貌：(a) Cu基Ni膜半共格界面; (b) Ni基Cu膜半共格界面

箭头]. 可见，两种不同界面结构的铜镍双层膜的Shockley 式(7)中: G表示剪切模量，b为柏氏矢量，r表示两
分位错柏氏矢量有明显差异. 可猜想铜镍半共格界面 位错间间距. 若 f x>0，两位错间表现为排斥作用; 若
的柏氏矢量显著差异，会极大影响半共格界面位错的 f x<0，两位错间表现为吸引作用.
运动轨迹，进而改变金属多层膜力学性质. 随压深持续增加，从图8(c)知，在Cu基Ni膜中，失
分别取铜镍双层膜在压深h为1.25、2和3 nm时的 配位错网因与堆垛层错排斥作用明显，可清晰看出图8(c)
微结构分析(见图8). 对比图8(a~b)知：半共格界面上失 相比图8(a)共格区域面积增大不少，导致一部分位错
配位错网与压痕中产生的位错间发生了耦合反应，导 更易穿过共格界面区域进入到Cu膜中[见图8(c)]. 在
致原有半共格界面的失配位错网结构发生弯曲变形 图8(d)的Ni基Cu膜中，压痕产生的大量位错因与半共
而消耗部分能量，改变了半共格区域形态，而演化出 格界面失配位错网发生相互吸引作用释放出能量，导
[28]
新失配位错网构型(见图8). 潘金生等 针对同一滑移 致压痕产生的位错被限定在Cu膜内，无法穿透进入
面下两位错间相互作用力形式提出1个理论性公式(见 Ni膜内，相当于Ni基Cu膜半共格界面对位错起到阻碍
式7)：根据此公式把图8(a)和图8(b)中的柏氏矢量分别 作用，导致其韧性增强，提高了该材料耐磨性. 在压深
代入式(7)，可得以下两种情况讨论：一种是在Cu基 为3 nm时，从图8(e)相比图8(c)、图8(f)相比图8(d)，再
Ni膜界面中，观察图8(a)中Cu基Ni膜微结构界面失配 次证实Cu基Ni膜半共格界面的强化排斥作用越加明
位错网上的分位错线与堆垛层错间由于 b 1 ×b 2 > 0,b 3 × 显，而Ni基Cu膜半共格界面的软化吸引作用更加凸显.
b 4 > 0，说明两Shockley分位错间相互作用表现为排斥 基于上述铜镍双层膜半共格界面结构导致位错
力，导致半共格区域构型发生了变化[见图8(a,c,e)]，消 穿透半共格界面出现显著差异特征，本文作者运用
[29]
耗掉更多能量. 但由于失配位错网钉扎作用，易引起 Koehler 提出的两种不同模量间材料所形成的界面
该位错网构型发生弯曲变形，进而增大共格区域面 会对位错产生一种镜像力，给不同界面间的作用力赋
积，而相应减小了半共格区域面积[见图8(e)]，易使得 予公式化，文献[30]也对此给出公式(8)，图9为该公式
纳米压痕产生的位错可直接穿透Cu基Ni膜的半共格 示意图，方便理解公式变量含义.
界面直接进入铜膜中[见图8(c,e)]. 另一种是在Ni基 RE B b (t B −2r)
2
F = (8)
Cu膜中，观察图8(b)可知，失配位错网的分位错线与 4π(t B −r)
堆垛层错间由于 b 5 ×b 6 < 0,b 7 ×b 8 < 0，表明两Shockley 式(8)中： R = (E A − E B )(E A + E B )，如F>0, 界面对位
分位错间相互作用表现为吸引力，容易相互咬合而形 错为排斥力，F<0, 界面对位错具有吸引力. 在Cu基
成新的位错释放能量，导致失配位错网发生弯曲变 Ni膜中，E 、E 分别表示Cu、Ni弹性模量，b为Shockley
B
A
形，阻碍了堆垛层错穿过Ni基Cu膜半共格界面而进入 分位错柏氏矢量，t 表示Ni层厚度，r表示位错在Ni层
B
镍膜中[见图8(d,f)]. 内距离界面的距离. 依据文献[31]的Cu弹性模量为
124 GPa，Ni弹性模量为218 GPa. 当位错接近界面时，
Gb x ×b y
f x = (7)
2πr t >2r，而E <E . 由镜像力公式可得, 镜像力F对Ni内
B
A
B