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Cu/Ta纳米多层膜材料力学及摩擦学行为研究

Cu/Ta NMMs广泛应用于半导体和超导体的制造，也用作电子、光学和磁性材料等。尽管其性能优异、应用广泛，但是目前依然存在许多问题，如单相和界面区域的材料变形机制、半导体工业中常用的化学机械抛光 (CMP) 工艺中摩擦引起的变形行为和机制尚且不明。在此通过分子动力学（MD）模拟，研究Cu/Ta和Ta/Cu纳米级多层的塑性变形机制和摩擦磨损性能。纳米压痕的结果表明，塑性变形机制是由单层的本征性质和界面特性共同决定的，而界面可以与位错强烈的相互作用并由于高应力集中作为位错的主要发射源。纳米划痕的结果表明，当单层层厚大于25 Å时，Cu层发生更严重的塑性变形和表面磨损，而Ta层由于其高硬度而出现更高的摩擦。Cu/Ta界面阻挡位错传播而Ta/Cu界面作为位错的发射源，在双层中起重要作用，但在多层中显著减弱。层厚的增加有利于位错滑移、位错网络的形成和变形恢复，也加速了由磨损量量化的表面磨损。由于KS取向下[1-11]和[111]的非对称滑移方向，观察到磨损的Ta原子在左前方选择性积累。本研究将为了解纳米结构材料在耐磨涂层、结构纳米复合材料和微机电系统等设备设计中对机械变形的耐受性提供重要的理解。对于从理论上指导微型器件或半导体行业中的超精密制造过程具有重要意义。