在晶體材料中，一般認為通過引入缺陷來阻礙位錯運動可以提高材料的強度和硬度。基于此，經典的材料強（硬）化方法有固溶強化，位錯強化，析出強化以及界面強化。其中，界面強化指通過降低材料的晶粒尺寸或增加晶內界面密度，從而使材料具有高強度和高硬度。但是當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，繼續增加界面所取得的強（硬）化效果不再顯著，甚至發生軟化。要想在這個尺寸范圍內繼續強（硬）化材料，則需要通過設計界面的原子尺度結構，來增強界面本征阻礙位錯運動的本征能力。

近日，河北工業大學鄭士建教授團隊以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分量和面外分量來阻礙位錯的運動，進而顯著提高材料的硬度。相關研究成果以題“Hardening induced by dislocation core spreading at disordered interfacein Cu/Nb multilayers”發表在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，通過對重復制備的3組樣品進行納米壓痕硬度測試，發現樣品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中的硬化應該與界面的硬化能力有關。

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（不同顏色代表重復制備的三組樣品）

如圖3所示，分子動力學模擬揭示了有序界面和無序界面的最大剪切強度分別為0.2 GPa和0.7 GPa。兩個界面的剪切強度都遠低于Cu或者Nb完整晶體中密排晶面的剪切強度，這也就意味著兩個界面都是弱剪切強度界面。因此，當層內位錯沿著滑移面向界面運動時，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分量。

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

如圖4所示，通過弓形位錯在限制層內滑移模型來分析位錯和界面的交互作用，當Cu層中柏氏矢量為1/2[0-11]的位錯沿著(-111)滑移面進入有序界面時，此界面發生剪切變形，之后吸引位錯進入界面并使得位錯的面內部分離散。然而，界面剪切變形僅僅弛豫位錯的面內分量，面外分量的位錯仍然駐留在界面上。隨著位錯連續不斷地向界面運動，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力集中，從而促進界面上位錯的形核和發射。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位錯形核。隨著界面上位錯的形核與發射，位錯成功地滑移穿越有序界面，釋放應力，傳遞應變。但是，當Cu層中柏氏矢量為的位錯沿著滑移面進入無序界面時，無序界面上的自由體積能夠協助空位的產生和擴散，從而能夠通過促進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力場下也能發生剪切變形，進而弛豫位錯的面內分量。因為位錯的面內分量和面外分量都被無序界面弛豫，所以位錯將很難運動，更難穿過界面。由于無序界面嚴重限制了位錯的運動，從而導致樣品2發生了界面硬化。

圖4 （a）界面兩側滑移系的圖解；（b）弓形位錯在層內滑移的圖解；（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，設計了一種無序界面來提高界面的強（硬）化能力，進而顯著地提高了材料的硬度。進一步的模擬和分析認為這種無序界面能夠弛豫界面位錯的面內分量和面外分量，使得位錯難以運動。這種通過引入超薄非晶層制備的無序界面，可以被廣泛地應用于納米結構材料中來實現超高的強度和硬度。同時，本工作為界面工程，即通過設計材料的原子尺度界面結構來調控性能，提供了一種新思路。