【摘要】 本研究通过GIXRD与STEM-EDS技术揭示Cu-Zr纳米薄膜中晶格畸变、位错增殖与应力梯度形成规律，发现锆含量对固溶体缺陷结构的调控作用，为功能薄膜开发提供关键理论支撑。

多晶Cu-Zr薄膜GIXRD图谱，标注fcc铜相布拉格峰位

图1. Cu-4.5 at% Zr薄膜的GIXRD图谱；[1]

 

Cu-Zr薄膜{111}和{200}峰随成分变化的偏移趋势

图2. 有限 2θ 范围内 GIXRD 图案的放大图显示了 {111} Cu 和 {200} Cu 衍射峰的相对位移与沉积薄膜中 Zr 成分的函数关系[1]

 

本研究通过掠入射X射线衍射（GIXRD）结合扫描透射电镜（STEM）与能谱分析（EDS），系统揭示了纳米晶Cu100-X-ZrX（2.5-5.5at%）合金薄膜的微观结构演变规律及残余应力形成机制。实验发现，微量锆元素的添加显著改变了铜基体的晶格特性与缺陷分布。

 

一、晶格参数异常与固溶体特征

XRD应力分析表明，沉积态Cu-Zr薄膜呈现明显晶格各向异性。当锆含量达到5.5at%时，{111}和{200}晶面间距较纯铜分别扩大0.12Å和0.09Å（图2b）。STEM-EDS联合表征证实，薄膜形成了均匀的过饱和置换固溶体，未出现晶界偏析或非晶相。

 

二、缺陷演化与应力形成机制

通过XRD线形分析（XLPA）发现：

1.位错密度倍增：3.5at%锆含量使位错密度达到1.2×10¹⁵ m⁻²，较纯铜薄膜提升3倍

2.平面缺陷主导：堆垛层错概率≤0.1，孪晶界密度随锆含量线性增长

3.应力梯度显现：GIXRD深度剖析显示，5.5at%样品表面与界面应力差达380MPa

 

三、成分-结构-性能关联性

1.晶粒细化效应：锆含量每增加1at%，平均晶粒尺寸缩减12-15nm

2.织构弱化现象：5.5at%样品呈现近随机取向，织构系数下降至1.8

3.应力形成机理：堆垛层错能降低（SFE≈25mJ/m²）导致平面缺陷增殖，引发拉应力累积

 

四、创新性研究发现

1.应力梯度量化：建立d-sin²ψ法修正模型，实现薄膜厚度方向应力分布精确解析

2.缺陷协同作用：首次证实位错滑移与层错形成存在竞争机制

3.工艺指导价值：确定3.5at%为微观结构突变临界点，为薄膜器件设计提供理论依据

 

参考文献：[1]Chakraborty J, Oellers T, Raghavan R, et al. Microstructure and residual stress evolution in nanocrystalline Cu-Zr thin films[J]. Journal of Alloys and Compounds, 2022, 896: 162799.

 

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