在晶體材料中，一般認(rèn)為通過引入缺陷來阻礙位錯運(yùn)動可以提高材料的強(qiáng)度和硬度?；诖?，經(jīng)典的材料強(qiáng)（硬）化方法有固溶強(qiáng)化，位錯強(qiáng)化，析出強(qiáng)化以及界面強(qiáng)化。其中，界面強(qiáng)化指通過降低材料的晶粒尺寸或增加晶內(nèi)界面密度，從而使材料具有高強(qiáng)度和高硬度。但是當(dāng)材料的晶粒尺寸或界面間距在納米尺度時，尤其在幾十納米到幾納米的尺寸范圍內(nèi)，繼續(xù)增加界面所取得的強(qiáng)（硬）化效果不再顯著，甚至發(fā)生軟化。要想在這個尺寸范圍內(nèi)繼續(xù)強(qiáng)（硬）化材料，則需要通過設(shè)計界面的原子尺度結(jié)構(gòu)，來增強(qiáng)界面本征阻礙位錯運(yùn)動的本征能力。

近日，河北工業(yè)大學(xué)鄭士建教授團(tuán)隊以Cu/Nb多層膜作為模型材料，通過在界面處引入超薄的非晶層設(shè)計了一種無序界面。和Cu/Nb多層膜中無非晶層有序界面相比，這種無序界面可以通過弛豫界面位錯的面內(nèi)分量和面外分量來阻礙位錯的運(yùn)動，進(jìn)而顯著提高材料的硬度。相關(guān)研究成果以題“Hardening induced by dislocation core spreading at disordered interfacein Cu/Nb multilayers”發(fā)表在Scripta Materialia上。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2021.113917

在這項工作中，通過磁控濺射法制備了兩種單層層厚10nm的Cu/Nb多層膜，其中樣品1中Cu層和Nb層交替生長，樣品2中除Cu層和Nb層交替生長外，還在界面處沉積了名義厚度0.5 nm的非晶層。圖1是樣品1和樣品2的TEM形貌像和對應(yīng)的高分辨像。從圖中我們可以看出樣品1和樣品2具有相同的取向關(guān)系，晶粒尺寸以及層厚。但是，樣品1具有有序界面，樣品2具有無序界面。如圖2所示，通過對重復(fù)制備的3組樣品進(jìn)行納米壓痕硬度測試，發(fā)現(xiàn)樣品1的硬度分別為5.53±0.47 GPa、5.69±0.26 GPa和5.61±0.38 GPa，樣品2的硬度分別為6.25±0.16 GPa、6.62±0.31 GPa和6.30±0.21 GPa。和樣品1相比，樣品2硬度提升11%。既然樣品2的取向關(guān)系、晶粒尺寸以及層厚均和樣品1相同，那么樣品2中的硬化應(yīng)該與界面的硬化能力有關(guān)。

圖1 （a）和（b）樣品1和樣品2的TEM形貌圖像；（c）和（d）樣品1和樣品2的界面高分辨TEM圖像

圖2 樣品1和樣品2的平均硬度（不同顏色代表重復(fù)制備的三組樣品）

如圖3所示，分子動力學(xué)模擬揭示了有序界面和無序界面的最大剪切強(qiáng)度分別為0.2 GPa和0.7 GPa。兩個界面的剪切強(qiáng)度都遠(yuǎn)低于Cu或者Nb完整晶體中密排晶面的剪切強(qiáng)度，這也就意味著兩個界面都是弱剪切強(qiáng)度界面。因此，當(dāng)層內(nèi)位錯沿著滑移面向界面運(yùn)動時，這兩個界面都易于剪切，并通過吸收位錯來弛豫位錯的面內(nèi)分量。

圖3 （a）具有有序界面（左側(cè)）和無序界面（右側(cè)）的Cu/Nb多層膜的模擬結(jié)構(gòu)；（b）有序界面和無序界面的界面剪切強(qiáng)度

如圖4所示，通過弓形位錯在限制層內(nèi)滑移模型來分析位錯和界面的交互作用，當(dāng)Cu層中柏氏矢量為1/2[0-11]的位錯沿著(-111)滑移面進(jìn)入有序界面時，此界面發(fā)生剪切變形，之后吸引位錯進(jìn)入界面并使得位錯的面內(nèi)部分離散。然而，界面剪切變形僅僅弛豫位錯的面內(nèi)分量，面外分量的位錯仍然駐留在界面上。隨著位錯連續(xù)不斷地向界面運(yùn)動，大量面外分量的位錯在界面上累積，這將會在界面上引起應(yīng)力集中，從而促進(jìn)界面上位錯的形核和發(fā)射。另外，有序界面上有大量的失配位錯，這些失配位錯也能促進(jìn)位錯形核。隨著界面上位錯的形核與發(fā)射，位錯成功地滑移穿越有序界面，釋放應(yīng)力，傳遞應(yīng)變。但是，當(dāng)Cu層中柏氏矢量為的位錯沿著滑移面進(jìn)入無序界面時，無序界面上的自由體積能夠協(xié)助空位的產(chǎn)生和擴(kuò)散，從而能夠通過促進(jìn)位錯在界面上的攀移來弛豫位錯的面外分量。另外，由于無序界面也是弱剪切界面，無序界面在位錯的應(yīng)力場下也能發(fā)生剪切變形，進(jìn)而弛豫位錯的面內(nèi)分量。因?yàn)槲诲e的面內(nèi)分量和面外分量都被無序界面弛豫，所以位錯將很難運(yùn)動，更難穿過界面。由于無序界面嚴(yán)重限制了位錯的運(yùn)動，從而導(dǎo)致樣品2發(fā)生了界面硬化。

圖4 （a）界面兩側(cè)滑移系的圖解；（b）弓形位錯在層內(nèi)滑移的圖解；（c）位錯和有序界面交互作用的圖解；（d）位錯和無序界面交互作用的圖解

總之，作者以層厚10nm的Cu/Nb多層膜作為模型材料，設(shè)計了一種無序界面來提高界面的強(qiáng)（硬）化能力，進(jìn)而顯著地提高了材料的硬度。進(jìn)一步的模擬和分析認(rèn)為這種無序界面能夠弛豫界面位錯的面內(nèi)分量和面外分量，使得位錯難以運(yùn)動。這種通過引入超薄非晶層制備的無序界面，可以被廣泛地應(yīng)用于納米結(jié)構(gòu)材料中來實(shí)現(xiàn)超高的強(qiáng)度和硬度。同時，本工作為界面工程，即通過設(shè)計材料的原子尺度界面結(jié)構(gòu)來調(diào)控性能，提供了一種新思路。