微电子机械系统(MEMS)广泛地应用于信息、交通及军事等多个领域.MEMS器件多是由薄膜材料经过微加工等手段制备的，对于这些高度集成的微纳电器件，人们往往关心其强大功能的实现，而器件在服役过程中其可靠性却常常被忽视，这类薄膜材料服役过程的力学行为研究对于器件的功能实现和服役可靠性至关重要^[1].然而，许多用于块体材料力学性能的研究手段往往因薄膜材料的小尺度效应而无法适用，开展微纳米力学研究对于这类薄膜材料可靠性研究具有重要的理论意义和应用价值.沉积在Al-Mg合金上的Ni-P非晶薄膜是典型的计算机硬盘材料，开展其力学行为的研究对于计算机等硬盘类材料的服役可靠性评价至关重要.

近年来，纳米压痕技术已广泛用于材料的微区力学行为的特性描述^{[2, 3, 4, 5]}.目前，国内外学者针对铝合金表面化学镀Ni-P镀层进行了研究，主要集中于镀液成分、工艺和预处理等方面^{[2, 3, 5]}，而对于铝合金化学镀Ni-P镀层力学性能研究工作开展的还较少^[4].本研究采用化学镀法在5083铝合金基体表面镀上一层约10 μm厚的Ni-P非晶薄膜，使用纳米压痕技术研究了不同加载速率下Ni-P非晶薄膜材料的变形行为，研究了Ni-P非晶薄膜的弹性模量和硬度及其与压入深度的关系，并与理论计算出的弹性模量进行对比分析；对Ni-P非晶薄膜的变形机制进行了深入分析.这一研究，一方面对于深入理解非晶薄膜的力学行为具有重要意义，另一方面，对于利用纳米压痕方法探测非晶材料力学性能技术的发展具有一定意义.

采用化学镀方法在5083铝合金的基体上沉积厚度为10 μm的Ni-P非晶薄膜.图 1给出了采用聚焦粒子束切割Ni-P非晶薄膜横截面的SEM观察照片.Ni-P薄膜施镀工艺流程为：除油→热水清洗→化学除锈→清洗→活化→清洗→化学镀镍→热水清洗→干燥.化学镀Ni-P的主要原料为NiSO₄·6H₂O 25g/L，NaH₂PO₂·H₂O 24g/L，C₄H₆O₄·6H₂O 16g/L，C₄H₆O₅ 24g/L，pH值调至5.8~6，控制镀槽温度为90~93℃，沉积速度为48 μm/h左右.采用J0780-4型线切割机切取尺寸为5mm×5mm正方形纳米压痕试块.

图 1(Figure 1)

Fig. 1

图1 Ni-P薄膜横截面SEM观察 Fig. 1 SEM cross-sectional view of the Ni-P film

利用JEOL2000 FXII型透射电子显微镜(TEM)对Ni-P薄膜进行表征与分析.采用美国MTS公司Nano Indenter XP纳米压痕仪测量Ni-P薄膜的硬度与弹性模量，其Berkovich金刚石压头的半径和面角分别为150nm和65.3°.测量时将正方形试样粘贴在平整的钢制垫块上进行纳米压痕测试，加载应变速率分别为0.2，0.05，0.01，0.002s^-1，利用SEM JEOL-JSM6501型扫描电镜观察Ni-P薄膜表面的压坑，计算、分析加载和卸载曲线上反映的Ni-P非晶薄膜的变形行为.

Ni-P薄膜样品TEM观察结果如图 2所示，图 2a为明场像，图 2b为该区域的选区电子衍射谱图像.

图 2(Figure 2)

Fig. 2

图2 Ni-P薄膜的TEM观察 Fig. 2 TEM observation of the Ni-P film (a)—明场像； (b) —选区电子衍射图像.

由图 2a可见该薄膜为均匀的薄膜材料，而由图 2b的选区电子衍射的同心晕环图案说明薄膜为非晶材料，并可测出距中心斑最近的衍射圆环半径为r＝1.001cm，通过计算可知是Ni的(111)面的衍射环.SEM的EDS微区成分分析表明，薄膜是P质量分数为11.5 % 的Ni-P合金，说明该薄膜为Ni-P非晶薄膜.

图 3a~3d是应变速率分别为0.2，0.05，0.01和0.002s^-14个条件下纳米压痕实验所获得的载荷-压入深度曲线.每条曲线由加载与卸载两部分组成，从开始点到曲线的最高点为加载部分，从最高点回落为卸载部分.4种应变速率下加载部分的曲线形状基本一致，但是应变速率为0.01s^-1和0.002s^-1时的曲线(见图 3c和图 3d)上出现了跳跃台阶，表明加载速率对曲线上跳跃台阶能否出现有强烈影响.

图 3(Figure 3)

Fig. 3

图3 不同应变速率下纳米压痕的载荷-深度曲线 Fig. 3 Load-depth curves of Ni-P thin films at different strain rates (a)—应变速率0.2s-1； (b)— 应变速率0.05s-1； (c)— 应变速率0.01s-1； (d)—应变速率0.002s-1

图 4为应变速率为0.002s^-1条件下Ni-P薄膜纳米压坑的SEM照片.由图中可见，三角形压坑尺寸约为5μm，压痕的周围出现了明显圆弧状的剪切带，且三角形压痕的边缘有凸起.

图 4(Figure 4)

Fig. 4

图4 Ni-P非晶薄膜纳米压坑处的SEM观察 Fig. 4 SEM observation of indent in Ni-P film

根据Oliver-Pharr方程^[6]，对卸载曲线进行拟合，可计算出材料的硬度和纳米压痕下的约化弹性模量( E_r)，计算结果见表 1.可得硬度的平均值为6.26GPa，E_r的平均值为121.27GPa.需要说明的是，Oliver-Pharr方法是在弹性分析基础上建立的.图 4可见在三角形压坑的棱边上出现了少量的凸起(塑性现象)，但由于实验用的材料没有经过加工硬化，用Oliver-Pharr方法模拟卸载曲线是可以的.

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 4种应变速率的卸载曲线的拟合计算结果 Table 1 Calculated results of fitting the unloading curves of four kinds of strain rates 变量 压入应变速率/s-1 0.002 0.01 0.05 0.2 硬度/GPa 5.84 6.90 6.01 6.30 约化弹性模量/GPa 123.93 116.07 116.83 128.24

表1 4种应变速率的卸载曲线的拟合计算结果 Table 1 Calculated results of fitting the unloading curves of four kinds of strain rates

由图 5可见，硬度随着压痕深度的增加而逐渐减小，它不是一个常量.硬度与深度的变化关系符合式(1)^{[7, 8]}：

图 5(Figure 5)

Fig. 5

图5 硬度与压入深度的关系 Fig. 5 Variation of hardness with indentation depth

在多晶金属中，可以经常观察到这种硬度随压入深度减小而增加的趋势.有计算表明^[8]，对于具有固定形状的压头，压头的自相似性使得材料在不同压入深度下的应变水平相同，但是应变梯度却因压入深度的减小而增加.因此，可以认为硬度随压入深度的减小而增加主要是由于在较小压入深度下，压头下方材料中的塑性应变梯度增加所致，从而形成了更多的几何必需位错，这些高密度的几何必需位错提高了材料硬度^{[8, 9, 10]}.但是，对本研究的非晶材料，材料中并无位错存在.随着压头压入深度的减小，压头下方非晶中的应变梯度也增加，为了协调这一 几何变化引起的高应变梯度，非晶中可能会产生额外的剪切带，而剪切带中往往发生原子由无序向有序转变的晶化^{[11, 12, 13, 14]}，这些都有可能参与协调应变梯度的变化.

图 6显示加载应变速率为0.2s^-1和0.05s^-1时的弹性模量与压入深度的关系.由图可见，弹性模量基本保持不变，故可计算其平均值，这与前面用Oliver方法模拟算出的结果非常接近.

图 6(Figure 6)

Fig. 6

图6 弹性模量与压入深度的关系 Fig. 6 Relation between elastic modulus and indentation depth

从图 3c和图 3d中可见，载荷-压入深度曲线上出现了跳跃的台阶.跳跃现象与剪切带的形成有关^{[15, 16, 17, 18]}，根据Hertz^[19]接触理论，临界剪切应力可由公式(2)计算得出：

本文发现，在加载曲线上每隔几纳米或20~30nm就会有一个小的跳跃.为便于观察，这里将压痕深度0~780nm间的所有跳跃放大进行整理，给出了跳跃间隔与压痕深度的关系图，如图 7所示.可见，最大跳跃间隔的位置大概在450nm左右，跳跃间隔的值超过了35nm，这个位置的附近恰巧发生了曲线的台阶行为，也就是说当加载到压痕深为450nm的时候，压痕的周围出现了比较大的剪切带，说明了曲线上的台阶行为和小的跳跃行为在形成机理上基本相同.由图 7还可以分析出，压痕深度较大时的跳跃点要少些.

图 7(Figure 7)

Fig. 7

图7 跳跃间隔Δh与压入深度的关系 Fig. 7 Relation between jump interval and indentation depth

由图 3a～3d还可以看出，加载应变速率影响台阶行为，当应变速率较小时，台阶现象明显，应变速率大些时出现很小的台阶行为.图 8为几种应变速率下的加载曲线的放大图，可见发生跳跃的位置大概在420nm左右，并且只有在应变速率0.002s^-1和0.01s^-1才可以观察到这种现象，在另外两个速率下观察不到这种现象.

图 8(Figure 8)

Fig. 8

图8 加载曲线上的台阶行为 Fig. 8 Step in loading curves

通过对实验的具体分析，发现曲线上的台阶行为实际上是由压痕周围产生的剪切带形成的，每一次跳跃都对应于一个单独的剪切带的形成.压痕浅时很少出现台阶行为，一般都是在曲线的中间出现台阶，而且当应变速率增加时，台阶行为明显减少.这与Kimura和Masumoto对非晶Pb-6Cu-16Si^[18]的研究相似.出现这种现象与压痕周围的塑性变形有关.载荷-深度曲线上加载初期的变形是完全的弹性变形，在临界应力水平下形成初始剪切带，应变速率很低时，单个剪切带的逐个萌生可以协调较低应变速率带来的变形，所以出现了明显的跳跃行为；而当加载速率成量级增加时，由于单个剪切带不能够协调快速的变形，此时会有多个剪切带同时开动来协调变形，从而导致载荷-深度曲线的连续变化.

1) 采用纳米压痕法研究化学镀10 μm厚Ni-P非晶薄膜的力学行为，结果表明，Ni-P薄膜硬度不是一个恒定的值，它随压入深度的减小而增加，而弹性模量基本保持不变.

2) SEM观察到Ni-P非晶薄膜的纳米压痕处萌生塑性剪切带，说明材料的塑性变形通过萌生剪切带进行.

3) 载荷-深度曲线上跳跃台阶的出现与压头压入应变速率有关.压入速率小的时候，由于压痕周围的单个剪切带萌生，导致载荷-深度曲线有明显的跳跃台阶出现.