[发明专利]一种提高纳米金属多层膜韧性的方法

说明书

本发明公开了一种提高纳米金属多层膜韧性的方法，采用磁控溅射技术沉积一种组元材料A的第一层A₁，接着沉积第二种组元材料B的第一层B₁；然后再沉积组元材料A的第二层A₂，A₂的厚度不同于A₁，接着沉积组元材料B的第二层B₂，B₂的厚度不同于B₁；……；沉积组元材料A的第n层A_n，A_n的厚度不同于A_n‑1，沉积组元材料B的第n层B_n，B_n的厚度不同于B_n‑1，如此交替沉积两种组元材料A和B并同时改变沉积的单层厚度，形成单层厚度在薄膜生长方向上梯度变化的金属多层膜。本发明利用磁控溅射技术在薄膜生长方向上调控单层厚度梯度变化，可大幅提高纳米金属多层膜的韧性。

技术领域

本发明属于金属薄膜材料技术领域，涉及一种提高纳米金属多层膜韧性的方法。

背景技术

金属多层膜是由两种或两种以上材料以一定的单层厚度交替叠加组成，因组元材料、单层厚度和界面结构可灵活调控而引起了国内外学者的广泛关注。其中，组元材料单层厚度在纳米尺度的纳米金属多层膜，因具有高强度、高硬度、高弹性模量等力学特性而在耐磨防护层、微电子机械系统等领域有着极大的应用前景。通常，组元材料单层厚度减小到几纳米至几十纳米范围时，金属多层膜可获得峰值强/硬度，且峰值强度可达到理论强度(E/30，E为杨氏模量)的二分之一或者三分之一，比按混合法则得到的金属材料强度值高2-3倍。

但当组元材料单层厚度减小到纳米尺度时，组元层内位错的萌生、运动和存储均受到强烈约束，导致由位错交互作用引起的应变硬化能力显著降低，而应变局部化倾向增加。因此，纳米金属多层膜的塑/韧性通常较低，在获得峰值强/硬度的同时塑性变形能力也大幅损失，容易出现脆性断裂，这成为制约耐磨防护层、微电子机械系统等的服役寿命和可靠性水平提高的关键因素之一。

目前，提高纳米金属多层膜塑/韧性的方法主要是优化调制周期(相邻两组元单层厚度之和)和调制比(相邻两组元单层厚度之比)，调整界面属性(晶体/晶体界面、晶体/非晶体界面)和界面结构/特性(界面失配度与取向关系)等。尽管这些方法能够不同程度的提高纳米金属多层膜的塑/韧性，但获得的强/硬度往往又低于峰值强/硬度。

发明内容

本发明的目的是提供一种提高纳米金属多层膜韧性的方法，解决了现有技术中存在的提高纳米金属多层膜塑性、韧性的方法获得的纳米金属多层膜强度、硬度往往又低于峰值强度、硬度的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种提高纳米金属多层膜韧性的方法，采用磁控溅射技术沉积一种组元材料A的第一层A₁，接着沉积第二种组元材料B的第一层B₁；然后再沉积组元材料A的第二层A₂，A₂的厚度不同于A₁，接着沉积组元材料B的第二层B₂，B₂的厚度不同于B₁；……；沉积组元材料A的第n层A_n，A_n的厚度不同于A_n-1，沉积组元材料B的第n层B_n，B_n的厚度不同于B_n-1，如此交替沉积两种组元材料A和B并同时改变沉积的单层厚度，形成单层厚度在薄膜生长方向上梯度变化的金属多层膜。

本发明的特点还在于：

具体包括如下步骤：

步骤1、设计梯度多层结构，具体过程如下：

步骤1.1、设计B_n层厚度h_B(n)，最表面的B_n层的厚度设计为获得峰值硬度时的单层厚度；