温度及层厚对铜_铝纳米薄膜拉伸性能影响的分子动力学模拟

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1、学校代码10459学号或申请号201512131572密级硕士学位论文温度及层厚对铜/铝纳米薄膜拉伸性能影响的分子动力学研究作者姓名：韩雪杰导师姓名：郭巧能副教授学科门类：理学专业名称：凝聚态物理培养院系：物理工程学院完成时间：2018年5月AthesissubmittedtoZhengzhouUniversityforthedegreeofMasterMolecularDynamicsSimulationoftheEffectofTemperatureandLayerThicknessontheTensilePropertyofCu/AlNanoscale

2、FilmByXuejieHanSupervisor:AssociateProf.QiaonengGuoCondensedMatterPhysicsPhysicalEngineeringCollegeMay,2018摘要铜/铝薄膜具有高强度、耐腐蚀以及良好的导热导电等优良特性，在微纳机电系统以及航空航天领域都有广泛的应用。关于铜/铝薄膜力学性能的研究对铜/铝薄膜的实际应用有着非常重要的理论指导意义。本文主要应用分子动力学方法研究温度和保温时间对铜/铝薄膜界面扩散及力学性能的影响。同时，本文也研究了铜/铝双层膜以及多层膜的力学性能以及在原子尺度下塑性变形行为。本

3、文的研究内容主要从以下几个部分展开：（1）研究保温温度和保温时间对铜/铝薄膜界面扩散和力学性能的影响以及拉伸温度对铜/铝薄膜力学性能的影响。结果显示铜原子扩散到铝薄膜的数目比铝原子扩散到铜薄膜的多，铜原子能扩散到铝薄膜的深处，铝原子只在界面处扩散，铝原子的扩散系数比铜原子的扩散系数大。当保温温度较低时，铜铝原子扩散较少，当保温温度升高到800K时扩散较好。随着保温时间的增加，过渡层厚度先增大后基本保持不变。保温时间不宜过长或过短，当保温1.2ns时，铜/铝薄膜的力学性能最佳。拉伸温度会影响铜/铝薄膜的力学性能，屈服强度随着拉伸温度的降低而增大。（2）铜/铝双

4、层膜单轴拉伸的研究结果表明：随着层厚的减小，屈服强度先增大后降低，屈服强度的临界尺寸是7nm。除此之外，我们研究了不同层厚的铜/铝双层膜在原子尺度下的塑性变形行为，结果表明，当铜/铝双层膜的层厚小于7nm时，铝薄膜和铜薄膜在塑性变形中主要形成了内禀层错。当铜/铝双层膜的层厚达到临界尺寸也就是7nm时，铝薄膜中主要形成了孪晶，铜薄膜中形成了复杂的堆垛结构，这种结构明显的提高了薄膜的强度。当铜/铝双层膜的层厚增大到17nm时，铝薄膜中主要形成了内禀层错，铜薄膜中主要形成了为4层的六角密堆结构。此外，随着铜/铝双层膜层厚的减小，压杆位错的密度先平稳变化然后急速增大

5、后降低。当铜/铝双层膜的层厚达到临界点(7nm)，压杆位错的密度达到最大值。（3）铜/铝多层膜单轴拉伸的研究结果表明：铜/铝多层膜的屈服强度显示明显的尺寸效应。随铜/铝多层膜层厚的增加，屈服强度呈现出先是增大后降低的趋势。此外，并对铜/铝多层膜在塑性变形过程中位错演变过程进行了研究，I发现铜/铝多层膜在塑性变形中主要形成了内禀层错和孪晶。层厚为10nm的铜/铝多层膜的压杆位错的数目达到了最大值，这定量地验证了层厚为10nm的铜/铝多层膜的屈服强度达到了最大值的模拟结果。关键词：分子动力学模拟铜/铝薄膜扩散焊接尺寸效应位错演化IIAbstractCu/Alfi

6、lmhastheadvantagesofhighstrength,corrosionresistanceandgoodthermalconductivity,andithasbeenwidelyusedinmicro/nanoelectromechanicalsystemsandaerospace.ThestudyofmechanicalpropertiesofCu/Alfilmhasimportanttheoreticalguidingsignificancetoitspracticalapplication.Inthispaper,moleculardy

7、namicsmethodisusedtostudytheeffectoftemperatureandholdingtimeontheinterfacediffusionandmechanicalpropertiesofCu/Alfilm.Atthesametime,thispaperalsostudythemechanicalpropertiesofCu/Aldoublelayerandmultilayerfilmandplasticdeformationbehavioratatomicscale.Theresearchcontentofthispaperi

8、smainlyfromthefollowingpar