《Acta Materialia》薄膜晶粒尺寸与厚度的关系! 2024-06-16 11:18:10 厚度是沉积薄膜的主要特征之一,因为它不仅定义了许多薄膜特性,还是所用沉积技术的典型特征。许多薄膜的特性与晶粒尺寸密切相关。膜硬度,电导率和膜应力演化等均与晶粒尺寸相关。厚度和晶粒尺寸经常放在一起讨论,这种关系已在许多论文中得到证明。已经提出了几种分析模型和模拟来描述观察到的相关性。这些方法通常可以分为两类。第一类基于厚度增加期间的过度生长的概念;第二类是基于薄膜生长期间的晶粒生长,晶粒的粗化通过晶界的运动产生,导致小晶粒的收缩和消除。尽管已有该方面的研究,但是各模型中晶粒尺寸和薄膜厚度的幂定律关系仍有问题,在薄膜厚度为300 nm时,晶粒尺寸随温度的变化而变化,增长指数相似还是显著不同,不同模型的准确性如何提升仍不清晰。比利时根特大学的研究人员对已发表数据进行汇总分析,结合对Al、Cu、CuO、CoCrCuFeNi、Ni90Cr10、TiN和V的薄膜测量,研究了晶粒尺寸对薄膜厚度的依赖性,证明了晶粒尺寸与薄膜厚度幂定律相关性。增长指数取决于同系温度,同系温度定义为所研究材料的沉积温度与熔化温度之间的比值。相关论文以题为“On the grain size-thickness correlation for thin films”发表在Acta Materialia。论文链接:https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.116896 本研究讨论的薄膜是通过直流磁控溅射沉积的,膜厚度在10nm至1μm范围内。对于除了V以外的所有材料,增长指数值约在0.35-0.45之间,表明沉积几何形状和沉积速率对增长指数影响不大。基于肯德尔相关检测,观察到影响因子A与增长指数n之间存在明显相关性,这种行为可能与以下要求有关,仅当薄膜变得连续时,才形成实际晶粒,从而为解释幂定律行为的任何模型设定了边界。基于此研究了log A和n之间的线性关系,将幂定律关系由改写为。 图1 对于溅射沉积(a) TiN、CuO复合薄膜和(b) Al、Cu、HEA、Ni90Cr10、V金属薄膜,XRD域大小随薄膜厚度的变化规律 图2 log A和生长指数n之间的相关性 图3 生长指数n与同系温度Ts/Tm函数的关系 图4 在不同的杂质金属比下沉积的Cu(上)和Al(下)薄膜的XRD域尺寸与薄膜厚度的关系 图5 薄膜厚度为300 nm时,晶粒尺寸随温度的变化图经过汇总分析和实验所得主要结果,增长指数在很大程度上由同系温度决定。不同沉积技术的区别并不明显,多个学者的研究表明,沉积的薄膜可以由同系温度定义的区域进行分类,现有3个主要区域:区域Ⅰ、区域T和区域Ⅱ。Ⅰ区膜具有随机织构的多孔微结构,T区和Ⅱ区的膜是有纤维状晶体。T区的特征是V形,通常是多面柱,而Ⅱ区具有直的圆柱。在本研究中,探讨晶粒尺寸对薄膜厚度的依赖性并通过幂定律进行描述。幂指数取决于生长区域,增长指数取决于增长机制。由于生长机理取决于同系温度,因此指数与微结构区域相关:区域Ⅰ为0.20±0.10;区域T为0.35±0.04;区域Ⅱ为0.47±0.13。本文能够有益于后续预测分析,进一步改进预测薄膜特性的模型。(文:破风) 赞 (0) 相关推荐 无需熔化的固态金属3D打印沉积技术,MELD摩擦焊? 2020年10月,南极熊获悉,国外出现了一种新的金属3D打印技术:无需熔化的固态金属3D打印沉积技术MELD(类似摩擦焊接),可在露天环境生产打印金属零件. △视频:无需熔化的固态金属3D打印沉积技术 ... 清华大学《Acta Materialia》:快速加热先进高强钢(Q&P钢)! 导读:先进高强度钢的显微组织通常是通过调整冷却时的奥氏体分解行为来设计的,而对加热时奥氏体的形成关注较少.本文探讨了快速加热在调整QP钢的显微组织和机械性能方面的潜力,重点分析了成分不均匀的作用.发现 ... 上交大《Acta Materialia》:Al-Cu合金定向凝固过程晶粒的形核长大 合金凝固过程中对流的存在对液相中的传热和传质过程具有显着影响,对流的存在极大地影响了微观结构和缺陷的形成.由于固体表面和液体之间的摩擦作用,熔体流动也受到不断变化的微观结构的影响.现有报道已有对Al- ... 金属顶刊《Acta Materialia》:超细晶金属薄膜的疲劳裂纹起源! 众所周知,在单晶金属中周期性施加机械载荷将会产生位错,位错的运动和增殖会引起疲劳裂纹.经过一定数量的循环加载后,位错开始聚集并形成驻留滑移带(PSBs),它们充当循环应变局部化区域.施加进一步的加载会 ... 金属所《Acta Materialia》:新型热处理工艺!制备高强韧低温工程用钢 低温工程概念广泛应用于先进能源.国防军工及大科学装置建设等国家战略工程领域.具有米级直径的大型低温工程锻件是现代航空航天及石化工业领域装备的核心部件.在低温及复杂交变载荷工况下,该大型锻件需兼备高强度 ... 这个团队再发金属顶刊《Acta Materialia》!3D打印铝合金断裂研究 激光粉末熔融技术(laser powder bed fusion, LPBF)作为一种广泛使用的增材制造技术,可以通过细化晶粒而获得更高的机械性能.自下而上的层层加工模式使得材料的显微结构极大地受到加 ... 洛林大学《Acta Materialia》:镍基高温合金[110]方向蠕变组织演变 镍基高温合金由于其在高温下具有优异机械性能而广泛用于航空和工业燃气轮机.这种现象归因于其微观结构,由高体积分数的强化γ'立方析出相(L12有序结构)嵌入γ基体(面心立方固溶体)组成.在服役期间,γ'析 ... 《Acta Materialia》纳米孪晶FCC金属中柱状晶驱动的塑性与开裂 纳米孪晶(nt)面心立方(fcc)金属在超细晶粒内部具有纳米级相干孪晶界(CTB),与无孪晶的多晶材料相比,能够调整孪晶边界间距(TBS或λ)和平均晶粒尺寸(d)这两个微观结构尺寸,nt金属已被证明具 ... 上海大学《Acta Materialia》:锆合金腐蚀机理取得重要进展! 目前,世界范围内运行的核电站绝大部分是压水堆型,在这种水冷的核反应堆中,核燃料元件的包壳材料都是采用锆合金,它是保障核电站运行安全的第一道屏障.核电站发展除了需要进一步提高它的安全性外,进一步提高核电 ... 《Acta Materialia》:亚稳态奥氏体不锈钢的动态应变时效机理! 柯氏气团最早由Cottrell发现并提出,钢在一定环境下会形成富含间隙原子的原子气团,这是导致铁素体钢出现不连续屈服和屈服点较高的原因.在低堆垛层错能(SFE)材料的塑性变形过程中,形成的柯氏气团会导 ... 上海大学《Acta Materialia》发动机叶片涂层的相成分和结构取得重要进展! 材料学网 今天 导读:最近,国际材料领域著名期刊<Acta Materialia>发表上海大学材料科学与工程学院高品质特殊钢冶金与制备国家重点实验室操光辉教授和李喜教授团队的最新研究成果& ...