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1. 引言
薄膜材料和薄膜器件日益廣泛的應用及其可靠性指標體系的日益健全，要求學術界對其結構和性能的特殊性給出科學解釋，相應的參照物除通常的塊體材料外，也包括無約束的自由態薄膜。事實上，附著于基底材料表面的薄膜與無支撐的自由態薄膜其結構和性能存在很大差異，研究中除應注重低維材料相對巨大的表面效應外，多數情況下尚須考慮基底的約束效應和界面效應。本文結合課題組近幾年的研究工作，著重介紹薄膜表面形貌、晶體取向、內應力、屈服強度以及薄膜與基底結合強度等方面的研究進展。
薄膜材料由于厚度的超薄性，表面形貌的表征和影響不容忽視。研究發現，薄膜的表面形貌與真空沉積的熱力學條件和動力學過程密切相關，可在一定程度上反映薄膜的形成機制和主控參量的變化.
由于制備方式的特殊性，多晶薄膜均存在不同程度的晶體擇優取向。有趣的是，對于確定的基底材料，薄膜的這種擇優取向主要決定于沉積方式，工藝參數一般只能改變取向的強弱；更為有趣的是，充分退火后，脫離基底的自由態薄膜按能量最小的晶體密排面確定取向，但有支撐的附著膜卻可能存在各異的晶體取向。分析認為，基底的約束作用及由此產生的薄膜應變是導致“奇異性”取向的主要原因。
薄膜的內應力或殘余應力嚴重影響薄膜器件的長期服役性和性能穩定性。研究表明，內應力不僅制約和影響著薄膜的力學性能，而且與薄膜的電導率等物理性能存在一定的對應關系。特別地，不同沉積方式和沉積參數可能產生不同的薄膜應力，但幾乎所有的薄膜其內應力與晶體取向均有良好的對應關系。經退火等高溫處理后，這種關系更為明顯。
金屬薄膜更多地強調持續應力或溫度作用下的塑變和蠕變抗力，但需要特別指出的是，傳統意義上屬材料常數的屈服強度在薄膜尺度下已不復存在，由此提出的科學命題涉及低維材料本征屬性和微尺度材料或器件表觀屬性的區別與聯系。研究證實，金屬薄膜的室溫和高溫屈服強度均與膜厚有關；相對于自由態薄膜，有基底支撐的附著膜具有更高的屈服強度；附著膜上存在鈍化層或置于多層膜中的單體膜，由于上下兩側的力學約束，其屈服強度將達到最大。由此說明簡單地套用傳統概念可能在薄膜材料設計和失效分析等方面帶來偏差甚至謬誤。
相對于金屬膜，人們對類金剛石等一類主要用于摩擦學領域的薄膜更多地關注膜/基界面結合強度。盡管劃痕法等傳統方法由于設備和操作簡單，至今仍廣泛應用，但很少有人對其物理意義的不確定性和工藝對應的不一致性加以論述。據此提出基于原位多重納米劃擦試驗評價方法，研究表明該方法有可能使確定的界面結合強度具有更明確的物理內涵。 | 
