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在纳米多层膜（NMLs）研究中，界面应力测量至关重要。研究人员针对传统测量方法未考虑层波纹和界面粗糙度问题，开展相关研究。结果表明，忽略这些因素会使测量误差达 0.4 J/m2 ，但原子尺度现象才是极端应力主因。这为准确测量和设计纳米复合材料涂层提供指导。
纳米多层膜（NMLs）是由两种或更多不同相组成的纳米复合涂层，在微电子、微纳连接、光学涂层等众多领域有着广泛应用。其内部的本征应力对热稳定性、功能行为和机械性能起着关键作用，比如当薄膜内的本征应力达到一定程度，会削弱薄膜与基底的附着力，导致分层，影响器件的完整性；而在柔性电子领域，合理调整本征应力又能实现微图案层的无损转移。因此，精确测量和控制本征应力对于发挥纳米多层膜在下一代技术中的性能至关重要。
然而，在测量纳米多层膜的界面应力时，传统方法存在一定缺陷。以往的研究虽对多种纳米多层膜系统的界面应力进行了测量，但未考虑层波纹和界面粗糙度对测量结果的影响。像 Cu/W 纳米多层膜，实验中观察到其层波纹明显，且报道的界面应力值极端，这可能与测量误差有关，因为层波纹和界面粗糙度可能会引入显著误差，但此前却无人对这些因素进行修正和量化，也未研究界面粗糙度对界面应力测量的影响。
为了解决这些问题，来自未知研究机构的研究人员开展了深入研究。他们引入了新的模型，将层波纹和界面粗糙度纳入标准的界面应力测量方法中，并应用于 Cu/W 纳米多层膜进行分析。研究成果发表在《Applied Surface Science》上。
研究人员在此次研究中用到了多种关键技术方法。通过电子显微镜技术，如扫描透射电子显微镜（STEM）成像、高角度环形暗场（HAADF）成像和 STEM - 电子能谱（STEM - EDS）分析，对样品的微观结构进行表征；利用 X 射线衍射（XRD）技术，分析各层的残余应力；还借助原子模拟，使用 LAMMPS 软件和共轭梯度（CG）方法进行原子弛豫计算，验证相关模型的有效性。
下面来看具体的研究结果：
- 层波纹模型：研究人员考虑层波纹不改变跨界面取向关系的情况，通过将每层和界面的净力投影到基底平面，建立了层波纹模型。假设层波纹在每个双层内具有恒定振幅和频率，得到平均波纹角与双层索引的关系，最终推导出含层波纹的纳米多层膜界面应力的表达式。对实验样品分析发现，层波纹从基底到表面逐渐增加，但通过图像估计的波纹角增量存在较大不确定性。
- 界面粗糙度模型：界面粗糙度与层波纹不同，其周期在平均晶粒尺寸量级。研究人员发现，虽然界面粗糙度本身不直接影响基于 XRD 的各层应力测量，但会影响双层残余应力的平均方式。通过建立模型，利用混合物规则计算含粗糙界面双层的平均应力，并通过原子模拟验证了混合物规则在特定条件下对 Cu/W 纳米多层膜的有效性。此外，还探讨了界面粗糙度的估算方法，发现拉伸样品的界面粗糙度约为 2.3nm，压缩样品约为 0.5nm。
- 修正后的界面应力：研究人员用多种模型对 10nm/10nm Cu/W 纳米多层膜的界面应力进行估算，结果表明忽略层波纹和界面粗糙度会高估界面应力，但高估幅度较小，在实验测量的误差范围内。同时发现，为保证测量准确性，双层数 N 约为 10 较合适，且层厚度应远大于界面粗糙度。研究还指出，层波纹和界面粗糙度并非完全独立，它们的相互作用会影响薄膜的有效应力状态，但这些微观结构特征无法解释实验中观察到的极端界面应力，原子尺度的因素如原子间混合和亚稳相形成才是更可能的原因。
综合研究结果和讨论部分，此次研究意义重大。研究人员引入的新模型考虑了层波纹和界面粗糙度，对纳米多层膜界面应力测量进行了细化，明确了忽略这些因素会带来的误差。虽然微观结构特征对 Cu/W 纳米多层膜界面应力测量的影响相对较小，但在实际测量中，若双层数或层厚度选择不当，仍会导致较大误差。因此，研究人员建议根据 XRD 谱直接估算界面粗糙度，并使用更新后的模型计算界面应力。该研究揭示了纳米多层膜应力发展的多尺度性质，强调了在不同长度尺度上研究结构特征对全面理解本征应力的必要性，为后续准确测量界面应力、设计和表征先进纳米复合涂层提供了重要的理论依据和实践指导，有助于推动纳米多层膜在众多领域的进一步应用和发展。
