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独立薄膜的塑性变形:实验与建模
这是我们最近在JMPS上发表的一篇关于薄膜力学性能研究的论文，比较了实验结果和离散位错模拟。它提供了当表面或界面效应变得重要时发生在薄金属薄膜中的强化。
摘要如下;全文可从在这里
摘要-比较了独立薄膜塑性变形演化的实验测量和计算结果。在平面应变胀形试验中，测定了两组Cu薄膜的应力应变响应。一组样品由电镀Cu膜组成，而另一组样品由溅射沉积组成。考虑了未钝化膜、单侧钝化膜和双面钝化膜。计算是在二维平面应变框架内进行的，位错模型为各向同性弹性固体中的线奇点。薄膜是由一个由八个颗粒组成的单元胞来模拟的，每个颗粒都有三个滑移系统。薄膜最初没有位错，然后从法兰克-里德源的特定分布成核。晶界和任何膜-钝化层界面都被认为是位错无法穿透的。实验和计算均表明:(1)钝化膜的流动强度大于未钝化膜;(2)钝化膜的滞后和包辛格效应随着预应变的增加而增加，而未钝化膜的滞后和包辛格效应很小或不存在。此外，实验测量和计算结果在0.2%的偏置屈服强度应力、迟滞和包辛格效应的演化过程中有很好的定量一致性。
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评论
Cu薄膜中晶粒取向的问题
你好，Vlassak教授，
电镀和溅射沉积薄膜中的Cu晶粒通常是随机的还是与沉积方向有取向关系?
谢谢
比尔·沃尔什
结构的影响
亲爱的比尔,
通常，由于界面效应和应变能的作用，相对于衬底有一个优选的取向。Fcc材料通常具有<111>优先取向，因为{111}面具有相对较低的表面能。随着薄膜变厚，界面效应变得不那么重要。对于Cu等弹性各向异性材料，薄膜中可能存在应变能效应的影响，在fcc材料中往往会产生<100>型织构。
沉积方向的影响，例如，当溅射靶或电场相对于衬底倾斜时，更为复杂。根据沉积条件的不同，几何效应(如自影)以及快速离子溅射(例如，在进行反应性溅射时)可能变得重要。这些肯定会对晶粒形态和取向(面内和面外)产生影响。
Joost
我们在金柱压缩方面的研究结果是互补的
对于我们这些研究自由表面附近位错的人来说，这是一篇非常好的有用的论文。我们还对钝化和未钝化的矿柱进行了实验，结果表明，有和没有表面层(钝化)的<111>取向金纳米矿柱的单轴压缩表现出类似的趋势。我们还看到流动强度与柱尺寸呈1/h的比例关系，钝化样品的斜率比未涂层样品大2倍。我们观察到类似的应力-应变曲线，尽管在压缩中似乎没有很强的鲍辛格效应。也许这是由于工具因素。
茱莉亚·r·格里尔
茱莉亚·罗索洛夫斯基·格里尔
界面/表面效应塑性
你好,茱莉亚,
谢谢你的评论。我很高兴听到你的实验证实了我们的观察。考虑到我们的样品中有许多晶界，我不希望位错饥饿在我们的实验中发挥重要作用。单晶柱当然是完全不同的事情，尽管表面在其中也起着重要的作用。你们是如何钝化Au柱的?
用我们在论文中使用的方法对支柱进行建模可能有点困难，因为该方法仅适用于平面应变条件。Mort Gurtin和Lallit Anand一直在研究一种可能适用于单晶塑性的连续介质版本。
Joost J. Vlassak
各向异性(Cu)晶体薄膜的表面应力
Joost,
谢谢你的回复。我没有薄膜方面的经验，但是，我一直对弹性各向异性的影响很好奇，特别是在铜等高度各向异性的材料中，对机械表面响应的影响。例如，如果未钝化的薄铜膜是相对等轴的，并且在其厚度上具有优选的取向，则施加在薄膜上的拉伸载荷将表现得很像该取向的单晶。构成薄膜的所有颗粒一起变形。然而，如果织构是随机的，相邻随机取向晶粒的变形会导致晶界处的不相容。在内部，由变形不相容产生的应力被容纳，但在自由表面，向表面的应力分量为零。表面不能容纳内部能够承受的一般应力分量，因此没有。总拉伸载荷中，表层承载的比内部承载的要少。这种效应在大体积样品中可能是微不足道的，但在只有几个晶粒层的薄膜中，这种效应可能是明显的。弹性加载后的塑性变形可能导致内部晶粒先滑移后表面晶粒变形的模式。
据你所知，这个想法在薄膜中被研究过吗?
谢谢,
比尔·沃尔什
薄膜中晶粒的约束
比尔,
你的观点和埃因霍温大学的Marc Geers前段时间向我提出的观点非常相似。表面减少了对薄膜中晶粒的约束，当薄膜厚度接近晶粒尺寸时，可以预期薄膜的强度会减弱。
我们还没有在实验中专门研究这种效应。前段时间，我们做了一系列的实验，我们试图在改变薄膜厚度的同时保持薄膜的晶粒尺寸不变。为了测量这种效应，人们必须进行这种类型的实验。随着薄膜厚度的减小，我们注意到晶粒略小于薄膜厚度的薄膜的屈服应力确实比预期的要小一些，但很难说这种减小是明显的还是约束效应的结果。
Joost J. Vlassak
你好，Joost，谢谢
你好Joost,
感谢分享电影测试的结果。
我同意表面约束的减少会削弱薄膜的效果，它试图理解为什么这让我感兴趣。
在弹性范围内，减少约束仅仅意味着由于轴向载荷，允许表面附近的材料发生横向变形，而内部的材料必须根据与相邻材料的相容性发生变形。对于具有强取向的单晶或多晶，没有影响，因为所有的材料无论如何都是一致移动的。
对于具有随机取向的多晶，其表面的横向变形随晶粒的不同而变化，有的大于平均值，有的小于平均值，因此表面的整体弹性变形与内部的变形相差不大。
地表不能承受正应力和剪应力是一个有趣的现象。同样，对于具有强取向的单晶和多晶，所有的变形都是一致的，意味着材料内部没有应力梯度。对于随机取向的多晶，晶界处的不相容变形导致晶内的局部应力梯度衰减为晶内唯一的应力张量，与相邻的应力张量不同。同样的情况也发生在表面晶粒上，但是表面不能承受应力，所以它没有。晶粒的表层比内部晶粒承受的载荷更小，或者说受力更小。
在更大的厚度下，效果将是难以察觉的。当颗粒变得更薄时，就像在你的实验中，在弹性范围内，薄膜对轴向应变的阻力更小，导致表观模量下降。
如果这个推理是正确的，随机排列的薄膜将首先在内部产生。即使在表面有位错逃逸，表面的非弹性变形仍有可能小于内部。
同样，感兴趣的概念是，可能存在一个非弹性应变的梯度与较少的塑性应变在表面。这似乎与大多数关于表面塑性和减少约束的想法相反，假设表面具有更大的塑性应变。当然，这很难衡量。
谢谢你的来信。我发现这门课很有趣。
比尔·沃尔什
纳米级晶粒铜膜
亲爱的教授，我有一个关于PI衬底上磁控溅射铜膜的问题。溅射温度约在100度以下，沉积速率约为8nm/min。铜薄膜没有明显的织构，在500厚的薄膜中，平均晶粒尺寸约为50nm。令我困惑的是，在较大的晶粒中经常观察到孪晶或层错。这些孪晶是否在沉积过程中形成应变，就像纳米al或Ni中的变形孪晶一样?
谢谢。
铜薄膜中的孪生
亲爱的美牛:
铜在变形过程中通常不会形成孪晶，除非在非常恶劣的条件下。你在这些薄膜中观察到的孪晶是生长孪晶，也就是说，当原子在沉积过程中破坏了fcc材料的ABC堆叠顺序时发生的缺陷。这在电镀铜中很常见，但在溅射铜中也会发生。
Joost J. Vlassak
增长的双胞胎
尊敬的Joost教授，感谢您的回复。
问:装卸周期
尊敬的Vlassak教授，我对论文中的图10(b)有一个问题。你能告诉我你们用什么标准来决定停止卸载和重新加载时的应变吗?在图10(a)中，在重新加载之前，您似乎在卸载循环中达到零应力，但我无法对膜厚度为0.6微米的情况进行分类(图10b)。
谢谢
Saurabh