Multilayers with periodicity in the nanoscale range have attracted a lot of attention due to their increased mechanical properties compared to the bulk counterparts. The enhancement has been explained by the dislocation-pile-up based Hall-Petch model. It is required to describe mechanical behavior based on a full understanding of the operative deformation mechanism for the application of nanoscale multilayers. Recently, several studies have reported a breakdown from the Hall-Petch behavior when the bilayer thickness is of the order of a few nanometers, but these softening mechanisms have not been clearly identified. In molecular dynamic (MD) simulation with nanocrystalline materials, the unusual mechanical behavior below the critical size is attributed to the grain boundary sliding and Coble creep. However, there are few experimental evidences to support the deformation mechanism in nanoscale multilayers. To elucidate underlying deformation mechanism, nanoindentation creep tests on nanoscale Ag/Ni multilayers are carried out with characterization of creep behaviors in regime below and above the critical bilayer thickness.
Ag/Ni multilayers with different bilayer thickness (λ) between 3 and 100 nm produced by DC magnetron sputtering have been studied by cross-sectional TEM and nanoindentation. TEM micrographs show a perfect layered structure with planar, sharp interfaces between two phases. Each layer consists of a polycrystalline columnar structure with the in-plane grain dimension on the order of the layer thickness. Using small angle X-ray scattering technique, it is confirmed that the measured periodicities are well matched with the bilayer thickness expected in fabrication process.
The hardness of the multilayers was measured with a nanoindenter (TriboScope, Hysitron). The hardness increases with decreasing bilayer thickness, but below a bilayer thickness of 8nm, hardness decreases with further decrease in bilayer thickness. The hardness enhancement shows a good agreement with Hall-Petch relation which indicates that dislocation pile-up is major strengthening mechanism. Hence, the breakdown of Hall-Petch behavior below 8nm implied that the deformation is no longer controlled by dislocation pile-ups.
A nanoindentation creep test was carried out to study the creep behavior of nanoscale multilayers. Surprisingly, the Ag/Ni multilayers below a bilayer thickness of 8nm show remarkable creep response even at the room temperature. It reveals that time-dependent property is closely related to the underlying mechanism of the softening regime. The stress exponent and the bilayer thickness dependence of strain rates represent important characteristic of the deformation mechanism. The stress exponent of two, obtained from stress dependence on creep rate, implies that the creep is possibly associated with grain boundary sliding. The variation of the magnitude of the slope reveals that deformation mechanism transition occurs from the bilayer thickness of 8nm. Obtained stress exponent 2 and λ-2 dependence on indentation creep rate below the bilayer thickness of 8nm shows remarkably good agreement with the relationship for the high strain rate superplasticity, indicating that the grain boundary sliding process governs the deformation. This result indicates that the grain-boundary-dominated deformation process governs the deformation behavior below critical thickness, whereas the deformation behavior for the larger thickness is due to a dislocation process. The crossover originates in the higher fraction of grain boundaries as a high diffusivity path and the inoperative Frank-Read source below the critical bilayer thickness. As a result, the decrease of hardness below a bilayer thickness of 8nm is due to the decreased flow stresses associated with grain boundary sliding.
The experimental results and creep response analysis demonstrates that the crossover in the mechanical behavior of the multilayers is accompanied by a change in the underlying deformation mechanism; from dislocation-dominated process to grain-boundary-dominated process.
수십 나노미터 크기의 층으로 구성된 다층박막은 동일한 조성의 벌크 재료에 비해 향상된 물성을 보여 큰 주목을 받고 있다. 이러한 물성의 증가는 일반적으로 Hall-Petch model에 근거한 전위 축적에 의한 것으로 설명된다. 최근, 각 층의 두께가 수 나노미터 이하로 얇아지면 기존의 Hall-Petch 거동에서 벗어나 기계적 물성이 감소하는 현상이 보고되고 있다. 하지만 그 변형 기구는 명확히 규명되지 않은 상태이다. 나노결정립 재료의 분자역학적 전산모사를 통해 이러한 임계 크기 이하에서의 연화현상이 입계 미끄러짐이나 Coble creep과 같은 입계 중심의 변형에 의한 것이라는 예측이 나오고 있지만, 이를 뒷받침할 실험적 결과는 매우 드물다.
본 연구에서는 층 두께를 변화시킨 Ag/Ni 나노다층박막에 대해 나노압입실험을 수행하여 층 두께가 기계적 물성에 미치는 영향을 관찰하고, 나노압입크립실험으로 임계 두께 전 후에서의 크립 거동에 대한 특성평가를 하여 나노다층박막의 변형기구를 규명하였다.
두 층 두께(λ) 3~100나노미터를 갖는 Ag/Ni 나노다층박막을 DC magnetron sputtering 방법을 통해 제작하여 측면 TEM과 나노압입실험을 통해 분석하였다. TEM 분석을 통해 시편이 두 상간에 균일하고 뚜렷한 계면을 갖는 적층구조이며, 각 층의 결정립 크기가 한 층 두께와 유사함을 확인하였다. 또한 소각 X-ray 산란법을 통해 제작된 모든 시편이 의도한 두께를 갖는 적층구조임을 입증하였다.
나노다층박막의 경도는 나노압입실험기(TriboScope, Hysitron)를 통해 측정하였다. 두 층 두께를 감소시킴에 따라 경도는 증가하다가, 8나노미터 이하에서는 도리어 경도가 감소하는 양상을 보였다. 경도 증가는 Hall-Petch model과 잘 일치하고 있어, 전위 축적이 주요한 강화기구임을 알 수 있다. 즉, 8나노미터 이하에서 보이는 ‘역 Hall-Petch 거동’은 전위 축적이 아닌 다른 변형기구를 통해 나타나는 것임을 의미한다.
나노압입크립실험은 나노다층박막의 크립거동을 평가하기 위해 수행하였다. 8나노미터 이하의 두 층 두께를 갖는 시편에서는 상온에서도 상당한 크립거동을 보였으며, 이는 연화구역에서의 변형기구가 시간의존적인 물성과 밀접한 상관관계가 있음을 보여주고 있다. 변형률 속도에 대한 두 층 두께의 의존성과 응력 지수는 기계적 변형기구를 확인할 수 있는 중요한 변수이므로, 응력과 두 층 두께를 변화시키면서 변형률 속도를 측정함으로써 두 변수를 조사하였다.
측정된 변형률 속도를 두 층 두께의 함수로 나타내면 8나노미터를 기준으로 전후에서 다른 의존성을 보이며, 특히 변형률 속도가 급증하는 구역이 경도가 감소하는 구역과 정확히 일치하는 것을 확인하였다. 변형률 속도와 두 층 두께는 λ-2의 관계를 갖으며, 인가된 응력과 변형률 속도와의 관계에서 돌출해낸 응력지수는 2정도로 측정되었다. 이러한 상관관계는 8나노미터 이하의 연화구역에서 입계 미끄러짐이 주요한 변형기구임을 의미한다. 다시 말해, 임계 두께 이상에서는 전위 중심의 변형이 일어나는 데 반해, 그 이하에서는 입계 중심의 변형이 일어나는 것이다. 두 층 두께가 얇아지면서 Frank-Read 전위원이 동작하지 못하게 되고, 재료 내의 입계 분율이 증가하여 입계가 고속확산경로로서 이용되어 임계 두께 이하에서 변형기구가 입계 중심으로 이뤄지는 것으로 판단된다. 결론적으로 임계 두께 이하에서의 경도 감소는 입계 미끄러짐에 의한 유동응력의 감소로 해석할 수 있다.
본 연구에서는 그 동안 전산모사를 통해 예측되었던 재료 내 결정립 크기 또는 두께의 변화에 따른 변형기구의 전환을 나노입계크립실험을 통해 실험적으로 입증하였으며, 특히 임계 두께 이하의 변형이 임계 미끄러짐에 의한 것이라는 결과를 도출하였다.
