X射线衍射技术测定纤维织构薄膜双轴应力与应变状态的研究及其在弹性应变工程中的应用

研究人员针对纤维织构薄膜内应力与弹性应变难以精确测定的问题，开发了结合布拉格-布伦塔诺（BB-XRD）和非对称X射线衍射（A-XRD）的BBA-XRD方法。通过分析铌（Nb）薄膜在镍钛（NiTi）基底上的沉积态和单轴拉伸后的应变状态，成功测定了各向异性应力/应变和应力自由晶格常数。该方法为弹性应变工程（ESE）中薄膜功能特性的调控提供了可靠手段，填补了传统方法无法表征各向异性应力状态的空白。

　　

在材料科学和微电子器件领域，薄膜材料的内应力和弹性应变状态直接影响其物理化学性能。传统应力测量方法如基板曲率法仅能获得平均应力值，而X射线衍射（XRD）虽能提供晶格应变信息，但对具有强烈纤维织构的薄膜（即晶粒沿特定方向择优排列的结构）仍存在测量盲区。更棘手的是，当薄膜处于各向异性应力状态时——例如在相变基底上经历的复杂变形，现有技术难以同时测定面内双轴应变和应力自由晶格常数。这种测量瓶颈严重制约了弹性应变工程（Elastic Strain Engineering, ESE）的发展，该技术通过精确调控材料晶格应变来优化其电磁、催化等功能特性。

为解决这一难题，国内某研究机构的研究团队创新性地将布拉格-布伦塔诺（Bragg-Brentano XRD, BB-XRD）与非对称X射线衍射（Asymmetric XRD, A-XRD）配置相结合，开发出BBA-XRD方法。他们以镍钛（NiTi）形状记忆合金为基底，在其表面沉积具有[110]纤维织构的铌（Nb）薄膜作为模型体系。通过理论推导晶体学平面取向角ψ、衍射角θ和X射线入射角ω的数学关系，建立了适用于立方、四方、六方和菱方晶系的应变-应力转换方程。研究发现沉积态Nb薄膜存在2.64%的晶格膨胀（a₀=0.3386 nm），面内压缩应力达-3.01 GPa；当NiTi基底发生6.1%应力诱导马氏体重取向（SIMR）时，薄膜呈现独特的应变传递现象：纵向（y方向）获得+2.53%拉伸应变，横向（x方向）却因泊松效应产生额外-0.30%压缩应变，应变传递效率达41%。这项突破性工作发表于《Thin Solid Films》，为定量表征功能薄膜的复杂应力状态提供了普适性方法。

研究采用三项关键技术：1）BBA-XRD联用技术，通过BB模式测定(110)_Nb面间距d_z，结合A模式测定倾斜晶面(211)_Nb的d_z'x和d_z'y；2）同步辐射掠入射X射线衍射（GI-XRD），在0.1°入射角下同步采集面内/面外衍射数据；3）聚焦离子束（FIB）制备薄膜截面样品，用透射电镜（STEM）验证织构特征。实验选用50×10×1 mm的NiTi条带作为基底，通过偏压靶离子束沉积（BTIBD）制备110 nm厚Nb薄膜，沉积时基底转速20 rpm，工作气压5.33×10^-2 Pa。

【研究结果】

1. 纤维织构薄膜的XRD构型设计
   通过解析立方晶体(hkl)晶面与织构轴[110]的几何关系，建立ψ=cos^-1(hh'+kk'+ll')/√(h²+k²+l²)√(h'²+k'²+l'²)的普适公式。对于BCC-Nb，仅(211)和(310)晶面满足0°<>

2. 沉积态薄膜的应力应变状态
   初始测量显示Nb薄膜(110)面d_z=0.2449 nm，较体材料膨胀2.28%，对应应力自由晶格常数a₀=0.3386 nm。面内双轴应变ε_x=ε_y=-1.73%，源于溅射过程中氩离子轰击导致的压缩应力（-3.01 GPa）。这种晶格膨胀归因于薄膜中 trapped argon（截留氩）原子，与文献报道的1-5 GPa溅射薄膜应力范围一致。

3. 基底变形诱导的应变重构
   当NiTi基底经历6.1%拉伸变形后，Nb薄膜呈现显著应变各向异性：(211)_Nb在y方向的d_z'y减小对应ε_y=+0.80%，而x方向因泊松比差异（ν_NiTi=0.5 > ν_Nb=0.397）产生额外压缩Δε_x=-0.30%。同步辐射GI-XRD证实应变传递效率为41%，剩余3.57%应变以塑性变形形式耗散。

【结论与意义】
该研究建立的BBA-XRD方法突破了传统sin²ψ法对各向异性应力场的测量局限，首次实现纤维织构薄膜中应力自由晶格常数、三轴应变与双轴应力的同步测定。实验揭示Nb薄膜在NiTi相变基底上独特的应变传递机制：当基底马氏体发生应力诱导重取向时，薄膜不仅获得纵向拉伸应变，还因基底的高泊松比产生横向附加压缩。这种应变调控策略为设计新型应变功能器件（如应变传感器、催化薄膜）提供了理论指导。方法学优势体现在：1）兼容常规X射线衍射仪；2）适用于六方（如Ti）、菱方（如BiFeO₃）等多种晶体体系；3）可推广至膜-基界面应力分析，为柔性电子器件可靠性评估提供新工具。