多层薄膜广泛应用于集成电路芯片、各种微/纳传感器及微电子机械系统中。大量的研究表明：当这些材料的几何尺寸减小到亚微米甚至纳米尺度时，会表现出诸 多不同于块体材料的物理性能。特别是其力学性能已不能够完全采用传统块体材料的理论与模型进行描述与评价。因此，澄清具有纳米尺度的多层薄膜材料的力学行 为及其尺度效应是目前微/纳米系统中有待解决的小尺度器件材料的可靠性问题。
经典的Hall－Petch细晶强化理论告诉我们，减小材料内部 的晶粒尺寸可以显著提高材料的屈服强度。为此，近年来人们通过不同的制备和加工手段获得了超细晶和纳米晶材料，从而大幅度地提高了材料的强度。甚至晶粒尺 寸为零的金属玻璃也表现出了极高的强度。但这些材料的一个共同缺点是具有较低的塑性，这极大地限制了它们的应用。其塑性降低的根本原因在于这些材料中极易 发生不稳定的塑性变形，即剪切带变形，从而使其失去了有效的应变硬化能力而发生过早的断裂。目前，人们认为当材料的晶粒尺寸减小到纳米尺度时，晶粒内部的 位错萌生、运动和存储受到强烈约束，晶粒中位错交互作用引起材料硬化的能力下降，而界面协调的变形－如晶界滑移、晶粒旋转等方式将会更容易发生。值得思考 的是：对于微/纳器件用多层薄膜材料来说，由于其不仅具有超细甚至纳米尺寸的晶粒，而且还拥有大量的膜/膜异质界面，这些界面也将对位错产生强烈约束作 用，这种纳米金属多层薄膜材料是否也会有剪切带变形行为出现呢？与材料尺度有关的基本变形机制又如何呢？
最近，在中国科学院“百人计划” 和国家自然科学基金的资助下，我室疲劳与断裂研究部张广平研究组开展了纳米金属多层薄膜力学行为的基础研究工作。在单晶硅的基体上制备了总厚度为1 m、单层厚度具有250 nm到25 nm的一系列Au/Cu多层薄膜，利用纳米压痕法并结合聚焦离子束（FIB）显微镜系统地研究了多层薄膜的塑性变形行为。实验结果清楚地表明了随着多层薄 膜的单层厚度从250 nm减小到25 nm，材料中的塑性变形越来越局部化，引起局部化变形的剪切带宽度随单层膜厚度的减小而减小。分析表明，塑性剪切带中出现了晶界滑移和晶粒旋转。研究工作 发表于Appl. Phys. Lett. 88 (2006) 013105。这一研究不仅揭示了纳米金属多层薄膜中存在的材料尺度控制的变形不稳定性，同时为人们提供了一个新的研究思路－通过设计两种或多种组元的具 有不同界面结构的纳米层状复合材料，来澄清与材料尺度相关的塑性变形不稳定性的物理本质，从而为发展新型高性能的功能与结构纳米层状复合材料提供理论依 据。审稿人认为该研究清楚地证明了纳米金属多层薄膜中塑性变形不稳定性的存在与尺度效应。
另外，本研究组与德国马普金属研究所(Max- Planck Institute for Metals Research)合作，在薄膜材料的疲劳损伤机理及其尺度效应的研究中也取得了一系列的进展。通过系统的实验研究与电镜分析，提出了材料尺度控制的金属 薄膜疲劳损伤的理论模型，并首次建立了小尺度材料的疲劳机制图，为探索纳米尺度薄膜的疲劳机理提供了理论依据。部分研究工作已被美国材料研究学会主办的 MRS Bulletin 30 (2005) 4进行了评论报道。进一步的理论工作详见将在近期出版的Acta Materialia上的题为“Length-scale-controlled fatigue mechanisms in thin copper films”一文。同时，被EuroSIME2006等国际会议邀请作特邀报告。

沈阳材料科学国家(联合)实验室供稿