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单晶纳米铜薄膜变形机理的分子动力学模拟
原文标题：Deformation mechanism of the single-crystalline nano-Cu films: Molecular dynamics simulation
来源：Computational Materials Science 67 (2013) 140–145
作者：Shuang Xu, Ya-Fang Guo , Zheng-Dao Wang
翻译者：刘观海
关键字：纳米铜膜、堆垛层错、空缺、张力
摘要：分子动力学模拟被用于分析单晶纳米铜薄膜的力学性能，其主要被用于阐明微观结构的演变和变形机制。计算结果表明了在[100]方向上的纳米铜薄膜的可塑性变形机制是最适合于原子的短程滑行的，它导致了堆积层错、显微孪晶、位错钉扎和空缺的形成。尤其是在原子规模上空位的产生和在薄膜上的移动被仔细的观察，其余的对叠层错和拼合位移的交叉点则紧密联系在一起。
- 简介
最近，纳米尺寸的金属薄膜被广泛应用于现代科技，从微电子学到纳米制造的各个领域。设计这样安全可靠的系统,重要的是要理解薄膜的力学特性。薄膜的可塑性是当前一个火热的研究领域，本质上是因为薄膜的可塑性与相应的大多数材料的性能有显著地不同。自Nix的开创性研究后，针对单一晶体薄膜已取得了大量的研究成果。例如，Gruber等人所研究的尺寸大小对于Cu,Ta/Cu和Ta/Cu/Ta薄膜的屈服力和机械硬化的影响。Spearot等人所研究的部分位错方向对铜的成核速率的影响。郭等人研究了铜薄膜的拉伸行为在不同温度下的单轴拉伸变化。此外，Kiritani等人在电子显微镜观察下发现大量空位簇在严重变形薄膜上的聚集。由“无位错”模型所提出的薄膜变形,它与大多数一般材料的位错机制不同。
除了实验方法,基于分子动力学的计算机模拟被广泛用来揭示底层薄膜不同的变形机制。通过Shimomura 等人的计算机模拟实验表明,底层薄膜的伸长是沿着新的封闭式平面（111）的法线方向的，它的标准方向接近于伸长方向。空位和小空位簇是由原子的运动沿着[1 1 1 ]方向所建立的。Schioslash;tz 等人通过使用大型计算机模拟构建了大量铜薄膜模型来研究“无位错”的变形机制。他们观察了位错成核现象，并发现位错导致的空位产物与大位错集合间的交互作用。没有证据表明“无位错”变形机制的存在。此外，空洞形成于空位聚合则被发现于Komanduri等人所进行的拉力在一些单晶金属薄膜上的模拟中。它表明材料的衰败是由于空隙的形成,它与宏观上的表现是相同的。此外，Gungor and Kolluri等人应用双轴拉伸应变对铜薄膜进行应变弛豫和破坏原子结构的模拟。他们发现,塑性变形会伴随着完美螺旋位错的滑移、位错蹒跚和空位的产生。
基于以上实验和仿真结果,我们发现,薄膜的变形和破坏仍存争议。在当前的工作中，应用分子动力学模拟方法研究了单晶纳米铜薄膜在单轴拉伸下的塑性特性。通过详细描述原子运动，对其滑移机制和空位形成进行了细致的探索，对于理解纳米薄膜的变形行为具有重要意义。
图1.单晶纳米铜薄膜模拟的模型
图2.30a0times;100a0times;6a薄膜单轴拉伸应力应变曲线
- 方法和模拟过程
如图1所示,模拟模型是一个有100a0times;6a0times;30a0(a0= 0.3615纳米)大小的薄膜系统,而模拟系统包含72000个原子。我们确定X轴方向，使薄膜沿X轴方向的应变速率为times;10s-1。通过控制所有原子的瞬时速度和使麦克斯韦玻耳兹曼分布模拟温度保持在5 K以避免热激活。原子模拟执行到占总应变量的30%左右。将每个步骤的原子的配置、原子能和压力都记录下来。
图3.不同时间步长Cu薄膜的原子构型。原子根据中心对称参数进行颜色编码。完美的FCC原子显示为深蓝色，HCP原子显示为浅蓝色。一个单一的平面HCP原子代表一个孪晶界，两个相邻的HCP平面代表一个内在的堆垛层错，和两个HCP线与FCC平面之间的一个外在的堆垛层错。（为了解释这个数字图例中的颜色引用，读者可以参考本文的Web版本。）
图4.薄膜塑性变形过程中的滑移细节.由肖克莱部分位错界的中央对称参数来使堆垛层错可见.完美的FCC原子未显示在图中.
图5a显示为100a0times; 6a0times;30a0膜产生的空位的原子结构图.配位数（Z）的使用，只有缺陷的原子和自由表面的显示和（b）缩放的区域所指示的红色圆圈沿[0 1 0]方向，这表明一个单一的空位包含12个原子（E = 0.1116）.
- 结果
3.1.在拉力作用下应力-应变关系
在单轴拉伸下的应力-应变曲线中，如图2所示样品为100a0times;6a0times;30a0个大小。在不同的时间、步骤的样品相应的构造演化的描述如图3所示。我们使用另一个中心对称参数定义是由李在高光下试样的显微组织的演变的模拟实验中提出的理论。完美的FCC原子由深蓝色所示,HCP原子由浅蓝色所示。单个HCP原子代表一个孪晶界面,两个相邻HCP层面代表着一种内在的堆垛层错结构,两个与它们之间的HCP线条和FCC层面代表一个外在的堆垛层错。由图2所示，拉力变化分为三个阶段。在初始变形阶段(I期),随着应变的增加，应力迅速增大，这时薄膜变形为弹性形变,晶格仍旧完美，此时薄膜表面光滑，如图3a所示。当施加的应变大于0.1050的临界应变值时，位错形核在自由表面，弹性形变转变为塑性形变发生在这时的临界应变当中,第一阶段紧随其后的是一个压力下降阶段(第二阶段)。如图3b所示的是沿着（1 1 1）平面的原子作短距离滑动诱导形成的部分位错界的堆垛层错。我们观察到的初始位错核附近的表面，是随后在不同的（1 1 1）平面上形成堆垛层错。随着应变的增加，堆垛层错和部分位错密度迅速增加，应力急剧下降。除了这些阶段，还有一个应力流动阶段（第三阶段）。通过增加一定的应力应变流量与位错构成复杂的相互作用。同时，可以看出，试样厚度在三级变形过程中逐渐减小，与TEM观察结果一致。
图6.变形过程中空位生成的原子组态图.这两个配位数（左边的数字）和中央对称参数（右边的数字）中使用的情节.为了清楚起见，只显示有缺陷的原子和自由表面.
3.2.滑动机制
为了描述塑性形变时的滑动机制，我们展示如图4所示的初始位错成核区域的原子结构。在图4a中的拉伸力达到0.1065处，发现两种不同内在堆叠层错的出现,方向分别沿(1 1 1)和(1 1 1)两个滑移面。在内在堆积层错的末尾处，肖克莱部分位错是有界的,浅蓝色所示。此外,请注意这些堆积层错有核表面的薄膜。
图4 b中,一个新的滑移面(1 1 1)沿着[1 0 1]方向出现直到在堆叠层错(1 1 1)层面上消失。这种滑动系统的(111)[101]表面未成核,它不同于在层面(111)和(111)上的滑动。此外,注意到在图4 b的堆积层错在不同滑动层面可以相互交错重叠。部分位错1/6[112]和1/6[112]沿着滑移面,如图5中所示。然后他们相遇并发生相互作用反应[112]1/6 1/6[112]→[110]1/3。因此,一个新的位错1/3[110]成核于位错反应中。（001）面上新的位错线1/3[110]并非是在FCC晶格上的密堆积滑移面，因此新的位错是一个固定位错。这种交互作用降低了位错的能量和阻碍了Lomer-Cottrell屏障的形成，如红圈中图4b和c所示它可以阻止位错迁移。然而,正如我们在图4 d中看到的,随着应变的增加Lomer-Cottrell障碍是可以克服的,并且在（111）层面上的一些堆积层错将会消失。与此同时,我们可以看到在图4 d的左边部分,新的滑移开始在(1 1 1)层面上出现。图4 d的右边部分,内在堆积层错被与外在堆积层错合并,最后导致显微孪晶形成。
3.3.空缺机制的产生
在我们的模拟中也观察到大量空缺中形成的薄膜(图5),这是符合实验和仿真结果的。在图5中显示形变诱发空缺结构占到拉力应变的0.1116。为了清楚起见,仅显示缺陷原子和自由表面。一个完美的FCC晶格的配位数是12。原子空位的位错芯和邻近位错芯分别有Z = 13,Z = 11。图5 b所示的集群原子在该区域中用红色圆圈标记在图5a所示。集群中有12个原子。集群中的每个原子漏掉了最近邻,因此等同于有11个。这样一个典型的单空位存在于集合了12个原子包围的中心。除此之外,该地区的黄色圈在图5a中标记了一个空置的集群。
在图6中,铜膜的原子构型在不同时间步骤的所示描述了空缺生成和迁移。在图中,配位数(左侧的数据)和中心对称参数(右侧的数据),并且只显示缺陷原子和自由表面。我们发现空缺产生于两种不同的机制。一种机制是发生在堆积层错的交叉处,如图6所示的黄色的圆圈中，它是观察到图6 a和b,产生的固定错位的交集堆积层错可以偏离错位,如图6红圈所示。随着应变的增加,位错开始蹒跚(图6 b)。与此同时,新的部分位错成核并进入存在位错蹒跚的区域。部分位错与位错的缓慢移动和堆积层错发生了复杂的交互作用,因此有一连续的空缺出现在图6 c中。随着拉伸应变的增加,空位串分散成单个的空位,如图6d和e所示。与此同时,正如图6e中的红色区域,在缓慢移动的过程中堆积层错变换成纤维孪晶。
图7.在60a0 times;60a0 times;20a0薄膜中空缺结构的原子结构.原子的颜色由两个配位数（上）和中心对称参数（下）.（a）单个空位；（b）堆垛层错四面体；（c）空位簇.（为了解释这个数字图例中的颜色引用，读者可以参考本文的Web版本）
- 详述
从第三节中,我们发现铜薄膜的塑性屈服是由原子的短途滑动引起的,导致了内在堆积层错的形成。由于堆垛层错能较低，一个完美的位错往往可以转化为一个有利的状态，随后分解成两个位错部分和一个内在的堆垛层错薄膜。肖克莱部分位错和堆积层错在铜薄膜单轴拉伸下产生。大量的泡核几乎同时处于临界压力之下。最初,滑动更容易发生在薄膜的表面;其变宽后出现的短途滑动薄膜,滑移总是成核在滑移带的末尾处，有部分位错存在。
此外，仿真结果表明,堆积层错与部分位错的广泛存在与薄膜上的空位生成和迁移有密切关系。实验结果表明,薄膜上空位的生成是一种特殊的塑性变形机制,这不同于大量类似的材料。由于不同类型的缺陷之间的复杂交互作用越来越大，单一空位的成核机制和空位簇在我们的模拟中被分别研究分析。最初,空位总是以一连串的形式出现。位错链的产生是由于堆积层错与位错的缓慢移动之间的交叉作用。随着应力应变的增加,空位簇也随之生成。
值得注意的是,Kiritani 等人的结果所阐述的堆垛层错的四面体在我们的模拟中未被发现。考虑到模型的几何形状,这种差异可以很容易被解释为：对于我们所模拟的100a0times;6a0times;30a0模型沿Y方向上移动一小段距离可能会被限制形成的堆垛层错四面体。为了验证这个命题,我们也开展了在60a0times;60a0times;20a0(a0 = 0.3615纳米)尺寸的薄膜下的相关研究。相比之下，固定变化状态下的边界条件并不能应用在我们的模拟中。X和Y方向均满足周期性边界条件。每200步沿X方向增加拉伸应变。我们找到与100a0times;6a0times;30a0薄膜类似的变形机制。不同的是,几个堆垛层错四面体可以清楚地观察到60a0times;60a0times;20a0薄膜,如图7所示，这是与实验的观测结果是一致的。
- 结论
在单轴拉伸作用下单晶纳米铜薄膜塑性变形机制在此次实验中被发现。仿真结果表明,塑性变形主要是由成核和随后的部分位错滑移所支配。部分位错之间的交互作用和堆垛层错可能产生的固定位错锁,都会导致硬化效应。可塑性的增长依赖于锁定部分位错的缓慢移动和位错的产生和迁移。初始位错喜欢成核于位错锁和位错缓慢移动的位置上，然后随着应力应变的增加，空位簇开始形成。
鸣谢
这项研究得到了中国自然科学基金会支持(批准号11072026)。
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资料编号：[28478]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
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