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    摘要：本文針對薄膜的結(jié)構(gòu)性能特點(diǎn)，集中探討了薄膜屈服強(qiáng)度與微結(jié)構(gòu)，薄膜力學(xué)性能與功能性，薄膜力學(xué)性能測試與表征等科學(xué)問題。通過對幾種膜基體系的研究，從理論上證明薄膜屈服強(qiáng)度高于相應(yīng)的整體材料，且隨膜厚或晶粒尺寸的倒數(shù)成線性增加。指出薄膜中的正常晶粒生長存在膜厚效應(yīng)，薄膜的擇優(yōu)取向取決于表面能、界面能和應(yīng)變能之和。認(rèn)為薄膜電阻率與殘余應(yīng)力存在對應(yīng)關(guān)系。首次提出了薄膜劃擦臨界載荷的物理表征以及劃擦實(shí)驗(yàn)卸載剝落抗力評價指標(biāo)，并計(jì)算了薄膜的斷裂韌性。    關(guān)鍵詞：薄膜，結(jié)構(gòu)與性能，表征，進(jìn)展引言    薄膜材料和薄膜器件日益廣泛的應(yīng)用及其可靠性指標(biāo)體系的日益健全，要求學(xué)術(shù)界對其結(jié)構(gòu)和性能的特殊性給出科學(xué)解釋，相應(yīng)的參照物除通常的塊體材料外，也包括無約束的自由態(tài)薄膜。事實(shí)上，附著于基底材料表面的薄膜與無支撐的自由態(tài)薄膜其結(jié)構(gòu)和性能存在很大差異，研究中除應(yīng)注重低維材料相對巨大的表面效應(yīng)外，多數(shù)情況下尚須考慮基底的約束效應(yīng)和界面效應(yīng)。本文結(jié)合課題組近幾年的研究工作，著重介紹薄膜表面形貌、晶體取向、內(nèi)應(yīng)力、屈服強(qiáng)度以及薄膜與基底結(jié)合強(qiáng)度等方面的研究進(jìn)展。    薄膜材料由于厚度的超薄性，表面形貌的表征和影響不容忽視。研究發(fā)現(xiàn)，薄膜的表面形貌與真空沉積的熱力學(xué)條件和動力學(xué)過程密切相關(guān)，可在一定程度上反映薄膜的形成機(jī)制和主控參量的變化.    由于制備方式的特殊性，多晶薄膜均存在不同程度的晶體擇優(yōu)取向。有趣的是，對于確定的基底材料，薄膜的這種擇優(yōu)取向主要決定于沉積方式，工藝參數(shù)一般只能改變?nèi)∠虻膹?qiáng)弱；更為有趣的是，充分退火后，脫離基底的自由態(tài)薄膜按能量最小的晶體密排面確定取向，但有支撐的附著膜卻可能存在各異的晶體取向。分析認(rèn)為，基底的約束作用及由此產(chǎn)生的薄膜應(yīng)變是導(dǎo)致“奇異性”取向的主要原因。     薄膜的內(nèi)應(yīng)力或殘余應(yīng)力嚴(yán)重影響薄膜器件的長期服役性和性能穩(wěn)定性。研究表明，內(nèi)應(yīng)力不僅制約和影響著薄膜的力學(xué)性能，而且與薄膜的電導(dǎo)率等物理性能存在一定的對應(yīng)關(guān)系。特別地，不同沉積方式和沉積參數(shù)可能產(chǎn)生不同的薄膜應(yīng)力，但幾乎所有的薄膜其內(nèi)應(yīng)力與晶體取向均有良好的對應(yīng)關(guān)系。經(jīng)退火等高溫處理后，這種關(guān)系更為明顯。     金屬薄膜更多地強(qiáng)調(diào)持續(xù)應(yīng)力或溫度作用下的塑變和蠕變抗力，但需要特別指出的是，傳統(tǒng)意義上屬材料常數(shù)的屈服強(qiáng)度在薄膜尺度下已不復(fù)存在，由此提出的科學(xué)命題涉及低維材料本征屬性和微尺度材料或器件表觀屬性的區(qū)別與聯(lián)系。研究證實(shí)，金屬薄膜的室溫和高溫屈服強(qiáng)度均與膜厚有關(guān)；相對于自由態(tài)薄膜，有基底支撐的附著膜具有更高的屈服強(qiáng)度；附著膜上存在鈍化層或置于多層膜中的單體膜，由于上下兩側(cè)的力學(xué)約束，其屈服強(qiáng)度將達(dá)到最大。由此說明簡單地套用傳統(tǒng)概念可能在薄膜材料設(shè)計(jì)和失效分析等方面帶來偏差甚至謬誤。    相對于金屬膜，人們對類金剛石等一類主要用于摩擦學(xué)領(lǐng)域的薄膜更多地關(guān)注膜/基界面結(jié)合強(qiáng)度。盡管劃痕法等傳統(tǒng)方法由于設(shè)備和操作簡單，至今仍廣泛應(yīng)用，但很少有人對其物理意義的不確定性和工藝對應(yīng)的不一致性加以論述。據(jù)此提出基于原位多重納米劃擦試驗(yàn)評價方法，研究表明該方法有可能使確定的界面結(jié)合強(qiáng)度具有更明確的物理內(nèi)涵。 (作者/徐可為)