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Cu/Ta纳米多层材料变形机理的原子尺度模拟

纳米多层,塑性变形,摩擦磨损

纳米多层材料因其优异的力学、电子、光学、磁性等性能而广泛应用于半导体、航空航天等领域。本研究基于原子尺度的分子动力学模拟方法，以广泛应用于半导体器件中的Cu/Ta纳米多层材料为研究对象，研究纳米压痕和纳米划痕过程中多层材料的塑性变形与摩擦磨损行为，揭示单层厚度和界面取向的影响规律和作用机理。

纳米压痕过程中Cu/Ta纳米多层的塑性变形决定于单层的本征性质和界面特性，而力学响应主要依赖于Ta层的变形。层间界面能够与层内位错相互作用并吸附位错，同时界面的高应力集中使其成为界面位错的发射源。Cu/Ta界面对位错穿越界面具有强的阻碍效应，而Ta/Cu界面能够通过传递变形应力来激活软质Cu层的变形。晶体取向影响表明晶体缺陷的传播依赖于单层滑移系，特别是Ta层中位错演化呈现两步机制：（1）应力集中点首先形成V型缺陷，（2）V型缺陷尖端及边缘触发位错增殖。动态硬度分析表明纳米多层存在依赖于压头尺寸与压痕深度的临界单层厚度，即Ta/Cu多层为70和160 Å，Cu/Ta多层为40和160 Å [2]。纳米划痕过程中当单层厚度大于25 Å时，Cu层发生严重的塑性变形和表面磨损，而Ta层因其高硬度表现出更高摩擦力。Cu/Ta界面有效阻挡位错传播，Ta/Cu界面作为界面位错发射源在双层中起重要作用，但多层模型中界面作用显著弱化。在单层厚度为25 Å的多层模型中，变形出现“Cu层塑性变形→Ta层弹性变形→Cu层塑性变形”的形式转变。单层厚度增加有利于位错滑移、位错网络的形成和变形恢复，同时加速了材料表面磨损。本研究将为了解纳米结构材料在耐磨涂层、结构纳米复合材料等设计中对机械变形的耐受性提供重要的依据。