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合金化是块体Cu合金材料力学性能改善的重要手段之一,然而在Cu薄膜中类似的微合金化效果是否存在鲜有报道,Cu薄膜体系中的微合金机制尚不清楚.本文系统研究了微量合金元素Zr添加对纳米Cu薄膜微观组织结构、力学性能和电学性能的影响,提出了相应的强韧化机理,并阐明了与添加含量密切相关的微合金化机制.研究结果表明,在不互溶的Cu-Zr合金薄膜中,Zr元素偏聚在纳米Cu晶粒的晶界上,导致晶界组织随Zr含量变化而演变.当Zr添加量为0.5at.％时,晶界上主要是Zr原子的偏聚,局部位置会析出尺寸约为2nm的Cu 10Zr7第二相颗粒；当Zr添加量≥2at.％时,晶界处Zr含量进一步提高,将析出Cu-Zr二元非晶相,且随着Zr含量的增加,非晶相由弥散分布逐渐连接成为网络结构,同时非晶相的特征宽度逐渐由～1.2 nm(Cu-2at.％Zr)增长到～3.1nm(Cu-8at.％Zr).Zr的偏聚大幅降低了晶界能,使晶界处于低能态的热力学亚稳定状态,晶粒长大得到了有效控制,且晶粒取向也得到了适当的调整,出现了(110)的面外取向；同时晶界处第二相的形成也抑制了晶界的迁移,使得Cu-Zr合金薄膜的晶粒尺寸相比纯Cu薄膜有了显著的减小.晶粒细化的同时孪生行为也发生了变化,在Cu-0.5at.％Zr合金薄膜中纳米孪晶含量达到极值.继续增加Zr添加量时,由于晶界非晶相的形成,晶界偏位错发射困难,纳米孪晶的形成受到影响,孪晶含量逐渐降低.晶界强化和孪晶强化的共同作用,导致了Cu-0.5at.％Zr合金薄膜具有最高的硬度/强度(～4.8GPa),比纯Cu薄膜(～2.0 GPa)高出140％.拉伸结果显示Cu-0.5at.％Zr合金薄膜同样具有出最大拉伸延性(～18.5％),比纯Cu薄膜(～10.0％)高出80％.其变形机制主要是应力驱动的晶粒长大以及孪生/退孪生行为.即在晶界Zr原子偏聚的情况下,无外应力状态下晶界被钉扎,而在外加应力状态下晶界挣脱Zr原子钉扎发生迁移和长大,通过晶粒长大来协调变形.统计结果表明拉伸前后晶粒平均尺寸长大了约35％,退孪晶导致的纳米孪晶含量降低了约30％,这些微观结构的演变合理解释了Cu-0.5at.％Zr合金延性的提高.而当Zr添加量≥2at.％,晶界上较大尺寸的非晶相处易于萌生晶界裂纹,从而使得延性随Zr含量增加逐渐下降.由于具有最优的延性和强度,Cu-0.5at.％Zr合金薄膜的疲劳性能也最佳,在相同应变幅下具有最长的疲劳寿命.疲劳变形机制与单轴拉伸类似,为循环载荷下的晶粒长大.进一步的,建立起了Cu-Zr合金薄膜的强化模型,并建立了Zr添加量与合金薄膜微观结构、硬度/强度、拉伸延性以及疲劳性能的关系图片.以上结果表明,对于不互溶体系的纳米金属合金薄膜,合适的微量合金化元素添加可以通过晶界调控获得优异的力学性能.