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薄膜材料の内部摩擦の振幅依存性を解析して、薄膜を基板に積層したままの状態で、微小塑性に基づく力学応答を非破壊で定量的に評価することを目的とする。そのためには、(a)薄膜材料の測定データから薄膜と基板の内部摩擦を分離し、(b)薄膜における内部摩擦の振幅依存性から転位による塑性歪と応力の関係を正確に定量する必要がある。本研究では、これらの内部摩擦の理論式を明らかにし、シリコン基板上に積層したアルミニウム膜の力学物性の評価に応用した。
各種膜厚(0.2〜2.0μm)のアルミニウム膜を積層した材料について180〜360Kの範囲で温度を連続的に変化させて内部摩擦の振幅依存性を系統的に測定した。内部摩擦の構成式を適用して、薄膜材料の測定データから薄膜のみに起因する内部摩擦を計算した。その結果、薄膜の内部摩擦はバルクの高純度アルミニウムの実測値と同じオーダーではあるが、膜厚が小さくなるにしたがって減少していくことを確認した。また、アルミニウム膜における内部摩擦の振幅依存性は、バルクと比べて2桁も高い歪領域で観測されており、さらに薄膜が小さいほど振幅に依存する成分は高歪側に移行した。この振幅依存性データを微小塑性理論に基ずいて解析することにより、10^<-9>のオーダーの塑性歪を応力の関数として算出した。これより、膜厚が小さくなると急激に塑性変形しにくくなっており、変形応力の膜厚による変化は低温ほど顕著であることがわかった。さらに、薄厚における結晶粒径の大きさが膜厚と同程度か、それよりも大きい場合、微小塑性領域での変形応力は膜厚に反比例して変化することを見出した。このような膜厚効果は、薄膜表面と薄膜/基板界面で両端を固定された転位が張り出して往復運動することに起因している。
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