金属薄膜韧性缩放，探索屈服强度对断裂行为的影响
最近的研究发现，金属薄膜的断裂韧性，比普通块状材料低一个数量级，这可能是由于薄膜厚度的固有效应对断裂韧性产生了影响，早在上世纪60年代，有些研究人员就首次提出了这个厚度效应的概念。
在亚微米金属薄膜的异常低断裂韧性，通常被归因于其显著高强度，这主要是由细微结构造成的，这与人们通常认为高强度，会导致金属变得更脆的观点相矛盾，相反，Knott模型预测了在平面应力下薄板的断裂韧性，随着屈服强度的增加而增加。
该模型假设断裂以45°角滑动的局部III型断裂为主，根据这个模型，断裂韧性KIC与样品厚度t和杨氏模量E的平方根成正比，这与薄膜具有较高屈服强度，会导致低断裂韧性的假设相矛盾。
虽然过去几年来，关于薄膜和微尺度样品断裂性能的研究大量增加，但屈服强度与断裂韧性之间的相关性，尚未得到系统的研究。
为了实现这个目标，研究人员使用凸起测试方法，对具有纵向柱状微结构，且厚度相似的自由悬浮金薄膜，进行了力学性能测试，通过两种方法改变薄膜的屈服强度，首先，通过提高测试温度从室温到100°C，其次，通过合金化添加高达56 at.%的银元素。
纯金膜和AuAg合金膜是一种特殊的薄膜材料，制备过程包括热蒸发沉积在硅氮化物膜上，这些膜的厚度为100纳米，大小为1×4毫米，并且使用低压化学气相沉积方法制备，由一个厚度为525微米的硅框架支撑。
制备过程中，在自制的热蒸发装置中，将金或金银蒸发到SiNx膜上，并通过反应离子刻蚀去除掉SiNx衬底层。RIE过程中使用了30 sccm CF4流量、12.67 Pa压力，和100 W射频功率，处理时间为3分钟。
纯金膜以每秒0.6埃的速率，在120°C的衬底温度下，经热蒸发沉积至100纳米厚，这些膜的平均晶粒尺寸约为150纳米，表面粗糙度为Ra = 3.2纳米。
通过共蒸发金和银，制备了三批含有AuAg合金的固溶强化膜，此外，还使用相同参数沉积了一批纯金参考膜，所有样品的总沉积速率都在约8埃每秒，在沉积过程中，保持衬底温度在80°C至86°C之间。
沉积完成后，将膜在高真空条件下进行了70分钟的退火处理，退火温度为120°C，由于沉积过程中化学计量不完全控制，导致原位厚度监测时出现了偏差，膜的厚度在130至180纳米之间。
纯金参考膜含有最高银含量的膜顶视电子显微镜图像，以及FIB横截面图像，这两种膜都具有柱状微观结构，其平均晶粒尺寸与膜的厚度相当，在含有最高银含量的膜中，孪晶界的密度要高得多，所有膜的表面粗糙度均为Ra = 2纳米。
用能量色散X射线光谱，在沉积后确定了AuAg薄膜的成分，薄膜厚度通过AFM扫描，在预先引入的划痕上测量，划痕延伸到衬底，晶粒尺寸通过从薄膜脱离SiNx载体膜后，收集的几张面视电子显微照片中的线性截距技术进行评估。
通过凸起试验，研究人员对厚约150纳米自由支撑金属薄膜的断裂韧性，在不同屈服强度条件下的影响进行了研究，研究人员使用热蒸发法制备了金薄膜，并在室温和100°C下对其进行了测试，此外，还研究了不同的金-银合金薄膜。
研究结果表明，随着屈服应力的增加，薄膜的断裂韧性也增加，这个结果可能会让人感到困惑，但可以通过之前观察到的自由支撑金属薄膜，因严重颈缩导致凿点式断裂的现象来解释。
研究证明，通过增加薄膜的屈服强度，可以显著提高其断裂韧性，之前的研究表明，金属薄膜的断裂韧性，约比同类块材料低一个数量级，人们认为，薄膜的厚度对其断裂韧性有影响，这一观点最早由Bluhm在20世纪60年代提出。
亚微米金属薄膜通常表现出异常低的断裂韧性，这主要是由于其高强度引起的微观结构造成的，这种解释对于脆性材料是合理的，但与通常情况下金属高强度，导致高脆性的观点相矛盾，相反，Knott模型预测了平面应力下薄板的断裂韧性，随着屈服强度增加而增加。
该模型假设发生45°滑移的局部III型断裂。根据该模型，断裂韧性KIC与屈服应力、样品厚度和杨氏模量成正比，这与薄膜的较高屈服强度，导致低断裂韧性的假设相矛盾。
虽然近年来关于薄膜和微小尺寸试样断裂性能的研究变得更多了，但屈服强度与断裂韧性之间的关系还没有得到系统研究。
通过本研究，研究人员成功探究了金属薄膜断裂韧性，与屈服强度之间的缩放关系，结果显示，增加金属薄膜的屈服强度，有助于提高其断裂韧性，从而增强其耐久性和应用性能。
这一发现对于金属薄膜的合理设计和优化具有重要意义，未来的研究可以进一步探究其他因素对金属薄膜断裂行为的影响，以完善对材料性能的了解，并推动科技领域的发展。
