目前被廣泛應用的金屬材料多數具有多晶結構，其晶粒取向及分布(“織構”)對材料的宏觀性能具有十分重要的影響。人為設計與調控多晶材料的織構，探索與揭示材料織構與性能的內在關聯，進而開發高性能的結構與功能材料是目前金屬材料研究的熱點和難點。薄膜與涂層材料的織構通常受其表面能的強烈控制：對于面心立方金屬來說，一般形成{111}織構，因為其(111)面為密排面，表面能最低。另外，由于(100)面具有較低的雙軸模量，因此，{100}織構的形成可以降低薄膜中的彈性應變能。表面能最小化與應變能最小化之間競爭的結果可能會導致金屬簿膜從{111}織構到{100}織構的演化。相比之下，{110}織構同時具有高表面能與高彈性應變能，普遍被認為難以在面心立方金屬薄膜中出現。

天津大學材料學院金屬結構材料研究團隊與瑞士聯邦材料科學與技術實驗室合作，在針對鎳及鎳-鉬合金的研究中，驚奇地發現熱處理導致了幾乎完美的{110}織構的形成。研究團隊通過構建定量熱力學模型，系統地揭示了反常{110}織構形成的原因：在較大熱錯配應力驅動下，鎳晶體屈服各向異性導致其[110]取向的晶粒相對其它取向優先發生塑性形變，從而降低體系總能量并發生{110}織構擇優生長。該工作為通過材料設計和織構調控獲得新型結構與功能材料提供了思路，相關研究成果近期以“Anomalous texture development induced by grain yielding anisotropy in Ni and Ni-Mo alloys”為題發表于Acta Materialia 200 (2020) 857-868。

在硅基底上沉積的鎳和鎳鉬合金薄膜的退火過程中，研究人員發現具有高表面能與高應變能的{110}織構隨著退火溫度升高逐漸生長，異常地演化為擇優織構(圖1、圖2)。而一般被認為能量最低的(111)面的衍射峰的強度卻逐漸減小，并在溫度高于700℃時幾乎消失。隨著鉬含量的增加，晶粒生長速度以及織構演化速度減小(圖1d)。

圖1.(a)Ni，(b)Ni97.6Mo2.4，(c)Ni93.7Mo6.3在不同溫度下退火XRD衍射圖，(d)(220)和(111)衍射峰強度比隨溫度的變化。

圖2. 700℃下退火后鎳薄膜的(a)EBSD取向圖和(b)極圖和(c)反極圖。

定量織構熱力學模型計算表明，這種{110}織構的異常演化，根本上源于鎳晶粒的屈服各向異性。薄膜(鎳)與基底(硅)之間熱膨脹系數差異大，在較高的溫度下會產生較大的熱錯配(圖3a)。在較低的溫度下，由于熱應變能小，所以表面能最低的[111]取向晶粒優先生長。隨著退火溫度升高，熱應變能占主導，應變能最低的[100]取向晶粒理應擇優生長。然而，由于晶粒屈服的各向異性，屈服強度最低的[110]取向的晶粒最先發生塑性形變(圖3b和3c)，極大降低了體系的彈性應變能(圖3e)。因此，在高溫下，[110]取向晶粒的表面能與應變能總和最低，逐漸演化為擇優織構(圖3f)。

圖3.鎳薄膜中(a)理論總應力(初始殘余應力與熱應力之和)、(b)不同取向晶粒的屈服強度、(c)真實應力、(d)彈性應變、(e)彈性應變能以及(f)表面能與彈性應變能總和隨溫度的變化。

圖4. 基于晶粒屈服各向異性模型計算構建的鎳薄膜織構圖。

在晶粒屈服各向異性模型計算的基礎上，研究組構建了基于鎳薄膜{111}、{100}和{110}織構的“織構圖”(圖4)，可以預測不同膜厚下各種織構間的轉變溫度。該模型已被成功應用于銅、鋁等不同純金屬體系，并且可以廣泛擴展到其他半導體與合金體系。

該研究工作得到了國家重點研發計劃和國家自然科學基金的資助與支持。

來源：天津大學

論文鏈接

http://sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1359645420307576

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總結

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