材料结构小尺寸与特征微观尺寸

材料结构小尺寸与特征微观尺寸-微观结构电子显微镜

薄膜系统的分类是基于相对的物理尺寸，而没有涉及反映材料基本
结构的任何长度尺度．这种长度尺度通常与材料特定的化学组成有关，
而且尺度可依赖于形成材料结构的制备方法．例如，对多晶体薄膜来说
，本征长度尺度至少包括原子单胞的尺寸、晶体缺陷的间距和晶粒尺寸
．这样，应该根据比较薄膜结构的微小尺寸和组成的材料的绝对长度尺
度特征来考虑薄膜组态的次分类．

当薄膜的厚度同基底厚度相比很小时(一般是50倍或更多)，它代表
力学上的薄麓在这种情况下，薄膜材料或者没有本征结构长度尺度(如
非晶薄膜情况)，或者薄膜厚度远大于所有特征微结构长度尺度，例如
晶粒尺寸、位错、胞尺寸、沉淀物或颗粒间距、位错环直径、位错运动
的平均自由程或磁畴壁尺寸．这些结构f典型的厚度是几十或几百微米)
通过等离子喷涂或物理气相沉积在基底上．或薄层通过焊接、扩散焊、
爆炸复合、烧结或高温自蔓燃合成结合在基底上．当然，这个定义只有
当微结构的尺寸尺度小于薄膜厚度时成立．为了分析这些力学薄膜中的
应力、基底曲率和断裂，在很大范围的实际情况中要使用连续介质力学
方法．

当材料结构的小尺寸与特征微观尺寸尺度相当时，薄膜被认为是微
观结构薄膜，在微电子器件和磁存储介质中使用的多数金属薄膜都是微
观结构薄膜的例子，其中薄膜厚度远大于原子或分子尺寸．虽然在这些
情况下，薄膜厚度一般只包括几个结构单元，薄膜的平面尺寸远大于特
征微观尺寸尺度．与力学薄膜相比，这些薄膜的力学性能更强烈地受到
诸如平均晶粒尺寸、晶粒形状、晶粒尺寸分布和晶体学织构等因素的影
响．晶粒与晶粒之间晶体取向的变化和热、电、磁、机械性能的晶体各
向异性也对微观结构薄膜的整个力学响应有更加明显的影响．在这本书
中详尽地考虑了微观结构薄膜的机制和力学．在基底表面上，微观结构
薄膜可以制备成线或条的图案，这种情况下每条线的横截面尺寸都与微
观单元尺寸相当．对外延结合于较厚基底上的单晶薄膜来说，只有晶格
是微观上有意义的尺寸．因此，这种薄膜一般即使在薄膜厚度仅为原子
单胞尺寸的几倍时也被当作是微观结构薄膜．

原子级薄膜构成的层的厚度与一个或几个原子层相当．表面上吸收
的单层气体或杂质原子就是原子级薄膜的例子．在这里，原子间势和表
面能将可能比宏观力学性能和变形微观机制更影响薄膜的力学响应．

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