金属薄膜弹性模量的尺度与温度效应

摘要

金属材料的表面原子所处的原子环境不同于体原子。在材料尺寸很大时,表面原子的这种差异对于变形的影响可以忽略不计。在尺寸很小时,尤其是在纳米尺寸时,材料的表面效应将会凸显出来。材料在小尺度时所体现的与块体材料不同的力学性能受到了广泛的关注。本文主要通过建立离散原子模型和采用分子动力学方法来研究表面效应对于金属薄膜力学性能的影响。离散原子模型考虑原子晶格点阵的对称性,将离开表面不同位置的原子视为不同的材料,将具有对称性的原子结构等效为一种层合板结构。分子动力学方面则是建立原子模型,采用EAM势模拟了晶面为(100)、(111)的Cu膜及(111)的Ni膜的应力应变关系,并计算了温度对于薄膜力学性能的影响。本文将离散的原子体系重新连续介质化,模型能够适用于具有对称性的薄膜原子结构。模型预测了薄膜弹性常数的尺度效应,并给出弹性常数和表面能的计算公式,反映了表面能对于薄膜力学性能的影响。分子动力学的结果显示Cu和Ni (111)薄膜的双轴模量随着薄膜厚度的减小略有升高,Cu(100)薄膜的双轴模量随厚度减小明显升高。双轴模量随温度的升高而明显降低。