可动位错

冶金工程名词

可动位错（Movable dislocation）是指一个全位错分解为两个或多个不全位错。C u / N i 多层膜的强化作用来自于多层膜结构中交变应力场对位错运动的约束。该交变应力场主要包括两部分: 在共格界面处由于剪切模量差而导致的镜像力, 以及多层膜内由于晶格常数差而形成失配位错网的应力。

简介

可动位错有时在某些地点由于某种原因会发生局部的收缩，合并为原来的非扩展状态，这种过程称为可动位错的束集。扩展位错上的割阶多是发生束集的地点，不过出现扩展割阶的情况也是很多的。束集或扩展的割阶上会发生许多极有趣的位错反应或变换。正常的可动位错不能交叉滑移到其它滑移面内，但一旦形成束集，交叉滑移即可发生。可动位错的宽度，即两个不全位错之间的距离，或其间层错带的宽度决定于两个不全位错间的斥力与层错表面张力间的平衡。可动位错的运动受到整个体系复杂形位的制约。位错的扩展在电子显微镜下清晰可见。但并非所有的不全位错与层错构成的体系均与位错之扩展有关，例如弗兰克位错环及其所围绕的层错片就不是可动位错过程所生成的。

多层膜中交变应力场对可动位错的制约

如果位错在膜层内运动的临界应力值小于交变应力场的约束,位错会被限制在单层膜内运动, 多层膜被强化; 反之,则位错很容易通过界面到达临近的膜层, 多层膜开始出现弱化.交变应力场的变化幅值与多层膜的调制波长相关.理论计算结果表明,C u / N i 多层膜的临界调制波长为1 .9 n m ,但失配位错网的交变应力场在多层膜的调制波长入二9 n m 时振幅达到极值。

失配位错的交变应力场随调制波长的变化规律

根据上述模拟分析的结果, 多层膜的交变应力场不单是共格应力, 失配位错的存在使多层膜在厚度方向上的交变应力场更加复杂, 而且多层膜的交变应力场的交变振幅与其调制波长有关。

取不同调制波长时的剪切应力幅值进行比较,在调制波长为9 n m 时, 振幅达到极值。这种现象可以解释为: 当调制波长小于9 n m 时, 在薄膜厚度方向上, 由于相邻界面的应力场的方向相反, 因此在靠近时相互叠加的结果为削弱能量而使振幅变小, 在界面上, 较小的膜层厚度限制了失配位错应力场的分布范围, 因此剪切应力为0的共格界面占据一定的界面宽度,并随着调制波长的减小, 所占比例逐渐变大, 当调制波长小于一定值时, 由失配位错所形成的交变应力场消失,仅有共格应力, 界面对位错的限制作用明显减弱; 当调制波长大于9 n m 时, 相邻界面的应力场在厚度方向上开始互不影响, 并且在薄膜层的中间会出现一段剪切应力为零的厚度。

随着调制波长的进一步增大, 相邻失配位错的应力场在界面上开始相互影响, 界面上的剪切应力出现下降趋势, 并最终稳定在一定水平。此时, 交变应力场与调制波长无关。

因此, 在非共格界面处, 位错的运动阻力来自于失配位错的应力场. 根据上述模拟结果, 失配位错芯的剪切应力值最大可达7 G Pa , 而且, 失配位错为较稳定的网状结构, 对其他位错运动的阻碍作用使得C u /N i 多层膜的力学性能得以强化。失配位错的剪切应力场分布受多层膜调制波长的影响, 当调制波长入= 9 n m 时, 共格界面所占比例最小, 失配位错网对滑移位错的限制作用最强。

共格界面对位错的限制作用

在共格界面处, 位错在薄膜层内运动所需要的应力值取决于位错的线张力、薄膜层的厚度和滑移系。当应力值小于线位错的临界应力值时, 位错向表面扩展, 但只能在膜层内运动, 外力撤掉后, 位错恢复到原来的位置。这种位错运动没有导致薄膜的永久性变形, 这个范围称为准弹性。如果应力值大于线位错的临界应力值, 位错会扩展, 但仍然限制在膜层内运动, 这个范围就是限制膜层内滑移. 如果应力值进一步增加, 超过了界面的限制作用, 位错会先弯曲变形, 然后到达表面, 最后在膜层间运动。

因此, 多层膜的性能取决于临界应力值。位错会被限制在单层膜内运动, 多层膜被强化;位错可通过界面到达相邻膜层, 多层膜开始出现弱化。

多层膜内的交变应力场主要包括两部分, 多层膜内由于晶格常数差而形成失配位错网的交变应力场, 以及在共格界面处由于剪切模量差而导致的镜像力。

C u / N i 多层膜存在某一最佳薄膜厚度, 使位错在膜层内运动的临界应力值最大但小于镜像力, 此时, 薄膜对位错的限制作用达到极值, 则位错就会被限制在单层膜内运动, 从而使多层膜性能得以强化;否则位错就会穿过界面而到达临界的薄膜层, 多层膜性能下降。根据该分析, 位错a/ 2 在C u 膜层及Ni 膜层内移动所需要的临界剪切应力值分别为6 和n G Pa , 对应的薄膜厚度均为0. 95 n m , C u / N i 多层膜的临界调制波长应为1 . 9 n m。

实际在制备多层膜时, 界面是粗糙不平的, 并且由于原子间的相互扩散, 界面具有一定的厚度, 这会影响到薄膜的临界厚度. B ar s hi h a 等应用磁控溅射沉积法制备了C u / N i 多层膜, 并进行了硬度测试, 发现C u /N i 多层膜的最佳调制波长为8. 6 n m 。

因此, 理论上, C u/ N i多层膜的最佳调制波长为1 .9 n m ; 但实际上, 由于失配位错、界面粗糙度及界面厚度等的影响, 多层膜的最佳调制波长要大一些.不同学者由于采用不同的实验过程及测试方法, 所得结论并不完全一致。

总结

位错的运动状态对材料的性能有很大影响。在多层膜结构中，位错不仅在材料的强化中起到重要作用，同时也是界面应变能释放的一个手段。当薄膜厚度非常小时，可以用单个位错的运动行为来解释多层膜的变形和强化机理。

(1) C u /N i 多层膜的强化作用来自于多层膜结构中交变应力场对位错运动的制约。该交变应力场主要包括两部分：在共格界面处由于剪切模量差而导致的镜像力，以及在多层膜内由于晶格常数差而形成失配位错网的交变应力场。

(2 ) 如果位错在膜层内运动的临界应力值小于交变应力场的限制作用，错会被限制在单层膜内运动，多层膜被强化；反之，如果膜层的交变应力场不足以把位错限制在单层膜内运动时，位错很容易通过界面到达邻近的膜层，多层膜开始出现弱化。多层膜强度的这种变化就是由于位错在单层膜内的运动过渡到薄膜层之间的运动。

(3 ) 交变应力场的变化幅值是与多层膜的调制波长相关的。理论计算结果表明，Cu/ Ni 多层膜的临界调制波长为1 . 9 n m，但失配位错网的交变应力场在多层膜的调制波长人= 9 n m 时其振幅达到极值，而且由于界面粗糙度及界面厚度等因素的影响，多层膜的最佳调制波长要大于1 . 9 n m 。

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