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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、これらの理論を整備することにより内部摩擦の解析手法を確立し、シリコン基板上に積層したアルミニウム薄膜の力学物性の評価に応用した。
アルミニウム薄膜を積層した材料について、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。今回、新たに導出した内部摩擦の構成式を適要することにより、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できる。その結果、薄膜の内部摩擦はバルクのアルミニウムの実測値と同じオーダーであることを確認した。また、アルミニウム薄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、さらに膜厚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づいて解析することにより、10^<-9>のオーダーの塑性歪を応用の関数として算出できる。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、変形応用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、薄膜における結晶粒径の大きさが膜厚と同程度以上の場合、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。以上のように、薄膜材料の内部摩擦を解析する方法は、引張り試験で得られるような応用-歪特性を非破壊で評価するうえで有効である。
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