ナノメートル厚金属薄膜の破壊じh性に及ぼす膜厚効果

摘要

ナノ薄膜は体積に対する表面の割合が極めて大きい構造であり，表面の効果が顕著になるため，その機械的特性や強度は材料に固有のものではなく寸法に依存する．例えば，膜厚の減少にともない，表面近傍の強い鏡像力による転位の枯渇によって，塑性変形抵抗が上昇する．き裂進展は，き裂先端近傍の塑性変形を伴う現象であるため，ナノ薄膜の破壊じh性には膜厚効果が存在すると考えられる．マクロなスケールにおいても，破壊じh性は板厚の減少とともに増加するサイズ効果を示す．これは，板厚が薄くなると，き裂先端の力学状態が平面応力場に近くなり，塑性変形が生じやすくなるためである．さらに板厚が薄くなると，塑性変形の局所化が生じ，破壊じh性は減少に転じる．しかし，表面の効果が顕著に現れるサブミクロンからナノメートル厚の薄膜におけるき裂進展機構については不明な点が多く，破壊じh性およびその膜厚効果は未解明である．本研究では，膜厚が約60 nm ～ 800 nmである自立銅（Cu）ナノ薄膜の破壊じh性試験を実施し，その膜厚効果を明らかにした．さらに，き裂進展機構を解明するため，膜厚約100 nmのCu 薄膜のき裂進展のその場TEM 観察を行った．