可動位錯

可動位錯有時在某些地點由於某種原因會發生局部的收縮，合併為原來的非擴展狀態，這種過程稱為可動位錯的束集。擴展位錯上的割階多是發生束集的地點，不過出現擴展割階的情況也是很多的。束集或擴展的割階上會發生許多極有趣的位錯反應或變換。正常的可動位錯不能交叉滑移到其它滑移面內，但一旦形成束集，交叉滑移即可發生。可動位錯的寬度，即兩個不全位錯之間的距離，或其間層錯帶的寬度決定於兩個不全位錯間的斥力與層錯表面張力間的平衡。可動位錯的運動受到整個體系複雜形位的制約。位錯的擴展在電子顯微鏡下清晰可見。但並非所有的不全位錯與層錯構成的體系均與位錯之擴展有關，例如弗蘭克位錯環及其所圍繞的層錯片就不是可動位錯過程所生成的 ^[1]  。

如果位錯在膜層內運動的臨界應力值小於交變應力場的約束,位錯會被限制在單層膜內運動, 多層膜被強化; 反之,則位錯很容易通過界面到達臨近的膜層, 多層膜開始出現弱化.交變應力場的變化幅值與多層膜的調製波長相關.理論計算結果表明,C u / N i 多層膜的臨界調製波長為1 .9 n m ,但失配位錯網的交變應力場在多層膜的調製波長入二9 n m 時振幅達到極值。

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根據上述模擬分析的結果, 多層膜的交變應力場不單是共格應力, 失配位錯的存在使多層膜在厚度方向上的交變應力場更加複雜, 而且多層膜的交變應力場的交變振幅與其調製波長有關。

取不同調制波長時的剪切應力幅值進行比較,在調製波長為9 n m 時, 振幅達到極值。這種現象可以解釋為: 當調製波長小於9 n m 時, 在薄膜厚度方向上, 由於相鄰界面的應力場的方向相反, 因此在靠近時相互疊加的結果為削弱能量而使振幅變小, 在界面上, 較小的膜層厚度限制了失配位錯應力場的分佈範圍, 因此剪切應力為0的共格界面佔據一定的界面寬度,並隨着調製波長的減小, 所佔比例逐漸變大, 當調製波長小於一定值時, 由失配位錯所形成的交變應力場消失,僅有共格應力, 界面對位錯的限制作用明顯減弱; 當調製波長大於9 n m 時, 相鄰界面的應力場在厚度方向上開始互不影響, 並且在薄膜層的中間會出現一段剪切應力為零的厚度。

隨着調製波長的進一步增大, 相鄰失配位錯的應力場在界面上開始相互影響, 界面上的剪切應力出現下降趨勢, 並最終穩定在一定水平。此時, 交變應力場與調製波長無關。

因此, 在非共格界面處, 位錯的運動阻力來自於失配位錯的應力場. 根據上述模擬結果, 失配位錯芯的剪切應力值最大可達7 G Pa , 而且, 失配位錯為較穩定的網狀結構, 對其他位錯運動的阻礙作用使得C u /N i 多層膜的力學性能得以強化。失配位錯的剪切應力場分佈受多層膜調製波長的影響, 當調製波長入= 9 n m 時, 共格界面所佔比例最小, 失配位錯網對滑移位錯的限制作用最強 ^[2]  。

在共格界面處, 位錯在薄膜層內運動所需要的應力值取決於位錯的線張力、薄膜層的厚度和滑移系。當應力值小於線位錯的臨界應力值時, 位錯向表面擴展, 但只能在膜層內運動, 外力撤掉後, 位錯恢復到原來的位置。 這種位錯運動沒有導致薄膜的永久性變形, 這個範圍稱為準彈性。如果應力值大於線位錯的臨界應力值, 位錯會擴展, 但仍然限制在膜層內運動, 這個範圍就是限制膜層內滑移. 如果應力值進一步增加, 超過了界面的限制作用, 位錯會先彎曲變形, 然後到達表面, 最後在膜層間運動。

因此, 多層膜的性能取決於臨界應力值。位錯會被限制在單層膜內運動, 多層膜被強化;位錯可通過界面到達相鄰膜層, 多層膜開始出現弱化。

多層膜內的交變應力場主要包括兩部分, 多層膜內由於晶格常數差而形成失配位錯網的交變應力場, 以及在共格界面處由於剪切模量差而導致的鏡像力。

C u / N i 多層膜存在某一最佳薄膜厚度, 使位錯在膜層內運動的臨界應力值最大但小於鏡像力, 此時, 薄膜對位錯的限制作用達到極值, 則位錯就會被限制在單層膜內運動, 從而使多層膜性能得以強化;否則位錯就會穿過界面而到達臨界的薄膜層, 多層膜性能下降。根據該分析, 位錯a/ 2 在C u 膜層及Ni 膜層內移動所需要的臨界剪切應力值分別為6 和n G Pa , 對應的薄膜厚度均為0. 95 n m , C u / N i 多層膜的臨界調製波長應為1 . 9 n m。

實際在製備多層膜時, 界面是粗糙不平的, 並且由於原子間的相互擴散, 界面具有一定的厚度, 這會影響到薄膜的臨界厚度. B ar s hi h a 等應用磁控濺射沉積法制備了C u / N i 多層膜, 並進行了硬度測試, 發現C u /N i 多層膜的最佳調製波長為8. 6 n m 。

因此, 理論上, C u/ N i多層膜的最佳調製波長為1 .9 n m ; 但實際上, 由於失配位錯、界面粗糙度及界面厚度等的影響, 多層膜的最佳調製波長要大一些.不同學者由於採用不同的實驗過程及測試方法, 所得結論並不完全一致。

位錯的運動狀態對材料的性能有很大影響。在多層膜結構中， 位錯不僅在材料的強化中起到重要作用，同時也是界面應變能釋放的一個手段。當薄膜厚度非常小時，可以用單個位錯的運動行為來解釋多層膜的變形和強化機理。

(1) C u /N i 多層膜的強化作用來自於多層膜結構中交變應力場對位錯運動的制約。該交變應力場主要包括兩部分：在共格界面處由於剪切模量差而導致的鏡像力，以及在多層膜內由於晶格常數差而形成失配位錯網的交變應力場。

(2 ) 如果位錯在膜層內運動的臨界應力值小於交變應力場的限制作用，錯會被限制在單層膜內運動，多層膜被強化；反之，如果膜層的交變應力場不足以把位錯限制在單層膜內運動時，位錯很容易通過界面到達鄰近的膜層，多層膜開始出現弱化。多層膜強度的這種變化就是由於位錯在單層膜內的運動過渡到薄膜層之間的運動。

(3 ) 交變應力場的變化幅值是與多層膜的調製波長相關的。理論計算結果表明，Cu/ Ni 多層膜的臨界調製波長為1 . 9 n m，但失配位錯網的交變應力場在多層膜的調製波長人= 9 n m 時其振幅達到極值，而且由於界面粗糙度及界面厚度等因素的影響，多層膜的最佳調製波長要大於1 . 9 n m ^[3]  。