摘要
纳米多层膜具有超高的硬度和耐磨性、较强的耐高温及抗氧化性、良好的化学稳定性以及材料可裁剪性等优点，在机械加工、矿山开采、建筑装修、地壳成分勘察等领域的应用极为广泛。TiC和VC作为硬度与金刚石接近的材料，具有相同的晶体结构和相近的晶格常数，因此TiC和VC可以组成具有共格结构且硬度极高的纳米多层膜。虽然实验上已经成功制备了种类繁多的纳米多层膜，但对其共格结构的形成原因和形成过程的理论研究相对较少，目前实验观测和宏观分析仍是主要的研究手段，但仍无法准确描述多层膜微观下的原子行为。因此，本文采用模型仿真的方法从原子角度研究了TiC/VC纳米多层膜的共格结构及其形成机理，对分析纳米多层膜的微观结构以及拓宽纳米多层膜的材料选择范围有着重要意义。 目前对于TiC/VC多层膜的研究大多在于分析多层膜体系的调制周期、元素化学计量比以及其它制备参数对多层膜硬度的影响，而对其表、界面结构的研究较为缺失，对多层膜独特共格结构的形成机理和结构特点缺少合理的解释。本文采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法，研究了TiC/VC纳米多层膜表、界面的形成机理，共格结构的产生及特点以及多层膜的力学性能，为解释纳米多层膜共格结构的形成过程及其特点提供了有价值的理论参考。本文的主要研究结果如下： （1）确定了两种组元最稳定的表面分别为TiC(111)-Ti面和VC(111)-V面，作为后续原子吸附迁移的基面以及纳米多层膜的结合面。单原子吸附迁移的计算确定了原子在表面的最稳定吸附位置均位于格点位置，有利于共格结构的形成。多原子的吸附和Dimer原子的吸附迁移说明金属原子更易吸附C原子，且C原子能够促进金属原子迁移。通过计算表面原子岛的演变发现，若Ti原子岛上方存在C原子，那么C原子最终会移动至原子岛下方并吸附于Ti终端格点位置，易于形成稳定的共格结构。 （2）发现了界面处C原子局部聚集时会破坏晶格完整性，若在其附近吸附1个金属原子则会使局部聚集的C原子重新分布在格点位置。通过计算原子岛的演变发现与基底金属原子种类相反的另一种金属能够促进C原子岛由局部聚集位置迁移至格点位置，使晶体结构更加完整。垂直于薄膜生长方向的原子间距离受模板效应的影响，计算发现层数增加导致共格结构越不明显。通过计算薄膜生长方向上的原子层间距变化，发现TiC与VC组元晶格常数的变化与实验值相反，因此又分析了粗糙度对TiC/VC多层膜层间距的影响，发现了具有“类砖墙”结构的多层膜有晶格常数趋同的现象，这与模板效应所述一致，证实了共格结构“三向协同应变”的微观特征。 （3）计算发现“类砖墙”结构具有较大的广义层错能，其值为24.298mJ/m2，说明此结构更难发生层错，在平行于生长表面的方向具有稳定性。通过分析界面C原子岛的演变规律，我们认为“类砖墙”界面结构具有比其它界面结构更好的晶格完整性，我们可以近似认为该结构含空位较少甚至不含空位，相比含空位较多的其它结构具有更大的拉伸强度，因此我们认为“类砖墙”界面这种特殊结构和纳米多层膜的晶格完整性都是提高多层膜力学性能的重要因素。
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