通过顺序射频溅射技术在[Cu/W]n多层结构中进行的界面局部应变分析

《Surfaces and Interfaces》：Interfacial local strain analysis in [Cu/W] n multilayers produced by sequential RF sputtering

多 Cu/W 纳米多层膜制备及其界面应变与力学性能关系研究。通过射频磁控溅射制备不同单层厚度的[Cu/W]_n 薄膜，结合 AFM 和 HRTEM 的几何相位分析，揭示层厚变化引起的界面应变分布规律及其对机械性能的影响。研究表明，单层厚度从 3.45 到 68.33 nm 时，层厚增加导致界面tensile/compressive应变集中，引发晶格畸变和纳米裂纹，硬度与层厚呈非线性关系。采用界面工程调控层厚和应变分布，可优化薄膜力学性能。

　　

R.V. 托伦蒂诺-埃尔南德斯 | E. 希门尼斯-梅莱罗 | M.A. 卡尔多纳-卡斯特罗 | F.A. 加西亚-帕斯托尔 | E. 奥诺弗雷-布斯塔曼特 | F.J. 埃斯皮诺萨-法勒 | F. 卡巴列罗-布里奥内斯

墨西哥国立理工学院，能源、健康与环境材料与技术研究所（GESMAT），CICATA Altamira，坦皮科-阿尔塔米拉工业港公路14.5公里处，邮编89600，阿尔塔米拉，墨西哥

摘要

[Cu/W]_n多层膜是减少等离子体面对部件中钨（W）脆性的候选材料。然而，其阻止氦（He⁺离子的能力取决于其机械性能，而这些性能又受到Cu/W界面密度和晶格失配的影响。在本研究中，通过顺序射频溅射（RF sputtering）方法制备了单层厚度分别为2、5、10、20和50纳米、总膜厚度为300纳米的Cu/W多层膜。通过原子力显微镜（AFM）图像分析，确定顶层采用了斯特兰斯基-克拉斯塔诺夫（Stranski-Krastanov）生长模式。高分辨率透射电子显微镜（HR-TEM）的几何相位分析表明，与Cu/W界面平行的应变场随着层厚的增加而呈现出不同的应变浓度（拉伸和压缩），这决定了多层膜的硬度。研究结果表明，多层膜的机械行为依赖于界面局部应变和元素混合情况，因此充分理解这一关系对于界面工程设计至关重要。

引言

[Cu/W]_n多层膜纳米薄膜因其通过调节单层厚度和界面性质而展现出出色的多功能性，从而引起了科学界的兴趣[1,2]。当单层厚度处于纳米级别（低于100纳米）时，其机械行为遵循霍尔-佩奇（Hall-Petch）定律，即材料强度随着结构细化而提高；Cu和W之间的不相溶性促使每层晶粒尺寸减小[3,4]。[Cu/W]_n多层膜的一个应用领域是等离子体面对部件，因为它们具有高密度的界面、高强度和断裂韧性，以及高电导率和热导率，使其能够作为辐射屏障和热沉，适用于聚变反应堆[[5], [6], [7]]。

物理气相沉积（PVD）技术，如射频溅射，已被用于多层膜合成，因为它们可以精确调节单层厚度和周期性，并具有良好的化学成分控制能力[2,8,9]。尽管如此，关于使用相同单层厚度但不同溅射参数制备的Cu/W多层膜薄膜的机械性能，文献中存在较大差异[[10], [11], [12]]。

在多晶薄膜的早期阶段，成核和生长过程之间存在竞争，导致一种称为斯特兰斯基-克拉斯塔诺夫（Stranski-Krastanov）的主要生长模式[13,14]。在此过程中，晶体生长过程中会产生应变，这些残余应力在高温、高能离子辐照、复杂载荷条件等苛刻环境作用下可能导致其化学和物理稳定性下降[15]。如果没有进行沉积后的热处理来防止多层膜退化[16]，则制造条件下的局部应变分布将决定最终机械性能[9]。然而，据我们所知，关于沉积态Cu/W多层膜的微观结构和局部应变浓度与其机械性能之间关系的研究较少[9,17,18]，这限制了适当界面工程设计的实现。

本研究探讨了[Cu/W]_n多层膜中单层厚度与受应变影响的机械性能之间的基本关系。具体而言，我们系统地研究了不同层厚如何影响射频溅射多层膜中的局部残余应变分布及其后续机械行为。通过高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）截面的几何相位分析（GPA），我们以纳米级分辨率量化了界面区域的局部应变场。这种方法使我们能够将特定厚度区间与不同的应变机制联系起来，识别出应变适应转变发生的临界厚度阈值，并建立界面应变状态与纳米级机械性能之间的直接联系。该研究为优化多层膜结构提供了设计思路，揭示了如何通过控制层厚来“工程化”界面处的特定应变状态，从而提升纳米层状金属系统的机械性能。

多层膜制备

[Cu/W]n多层膜是在位于腔室底部的双磁控管系统中，通过顺序射频磁控管溅射法制备的，样品架在磁控管上方旋转。使用的溅射靶材分别为纯度99.99%的铜（Kurt Lesker）和纯度99.95%的钨（Kurt Lesker）。玻璃基板（Soda-lime glass，SLG）先在丙酮中超声处理，然后用乙醇冲洗，并用氮气（N₂）干燥后装入真空腔室。腔室初始压力达到7×10^-6托（Torr）。

表面形貌

图1展示了不同厚度的[Cu/W]n多层膜的AFM图像。图1a显示了[Cu/W]n-3.45nm多层膜的形貌，晶粒高度分布（HD）较为均匀（见图1f），尽管观察到表面存在微裂纹，这可能是由于多层膜沉积过程中界面晶格失配引起的应力所致[1,11]。图1b中的[Cu/W]n-5.79nm多层膜则表现出晶粒尺寸不均匀增加以及浅层空洞，而非微裂纹。

结论

在室温下，使用顺序射频溅射法将总厚度为300纳米、单层厚度分别为3.45、5.79、11.94、20.63和68.33纳米的[Cu/W]n多层膜沉积在玻璃基板上，磁控管功率为100瓦。样品通过AFM进行分析，确认了其采用斯特兰斯基-克拉斯塔诺夫生长模式。计算了均方根粗糙度（R_rms），并将其与仪器硬度（H_IT）进行了比较。

作者贡献声明

R. V. 托伦蒂诺-埃尔南德斯：概念构思、方法论、实验设计、数据分析、软件开发、可视化、初稿撰写。E. 希门尼斯-梅莱罗：概念构思、监督、验证、审稿与编辑。M. A. 卡尔多纳-卡斯特罗：实验设计、数据分析、撰写、审稿与编辑。F. A. 加西亚-帕斯托尔：实验设计、数据分析、资源准备、撰写、审稿与编辑。E. 奥诺弗雷-布斯塔曼特：实验设计、数据分析、撰写、审稿与编辑。

数据可用性声明

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作者贡献声明

R.V. 托伦蒂诺-埃尔南德斯：初稿撰写、可视化、软件开发、方法论设计、数据分析、概念构思。E. 希门尼斯-梅莱罗：审稿与编辑、验证、监督、概念构思。M.A. 卡尔多纳-卡斯特罗：审稿与编辑、实验设计、数据分析。F.A. 加西亚-帕斯托尔：审稿与编辑、资源准备、实验设计。E. 奥诺弗雷-布斯塔曼特：审稿与编辑、实验设计。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了CBF-2025-G-339 SECIHTI和SIP-IPN 2025-1360项目的资助。作者感谢F.J. 马尔克斯-托雷斯（Eng. F.J. Marquez-Torres）在CINVESTAV Saltillo进行的HRTEM测量工作。RVTH的研究得到了SECIHTI-PhD项目[813579]的资助。EJM感谢EPSRC能源计划[EP/W006839/1]对其在伯明翰担任材料融合领域联合主席职位的资助。