薄膜的结构与性能取决于其制备过程,而气相沉积是主要的制备方法。另外,薄膜沉积也是探索特异成分与结构的物质的有力手段。另一方面,薄膜的力学性能是制约其服役范围及寿命的重要因素,纳米压痕技术广泛应用于各种薄膜力学性能的测试。另外,纳米压痕条件下薄膜的变形可极其微小,亦使其成为研究薄膜微观变形行为的有力手段。鉴于当前微小尺度下实验与理论研究的不足,本文开展了薄膜沉积与纳米压痕微观变形行为的原子模拟研究。　　将薄膜沉积简化为原子沉积过程,构建了相应的由基底、入射原子与虚拟墙组成的分子动力学(Molecular dynamics, MD)模型。通过在较小原子间距内平滑连接Ziegler-Biersack-Littmark排斥势改进了Cu-Ag体系的EAM势,构建了Ti-N体系的2NN MEAM势,使其适于描述荷能原子沉积过程中的原子碰撞过程。在此基础上,模拟了基底温度T=300 K、入射原子动能Ei=8 eV的条件下Cu、Ag薄膜在Ag、Cu基底上的沉积,以及T=300-700 K、Ei=0.5-10 eV条件下TiN膜在TiN(001)基底上的沉积。　　结果表明,Cu、Ag表面能的差异导致沉积的首层Ag在Cu基底层状生长、沉积的首层Cu在Ag基底岛状生长,覆盖度达到10 ML时,除Cu/Ag(001)外其它薄膜保持外延生长。Ag、Cu的不互溶性使界面处的元素混合甚微,Ag更低的表面能、更强的迁移能力与(001)原子面更低的堆垛密度,使 Ag(001)基底原子更易扩散到Cu膜中更远的位置。Ag/Cu(111)与Cu/Ag(111)的界面都展现(9×9)六边形的 moiré花样,界面处 Cu原子向远离 Ag层一侧的位移引起界面的褶皱;Ag/Cu(001)界面形成 c(10×2)超结构,而 Cu/Ag(001)界面附近部分位错开动,形成贯穿薄膜的层错,引起界面显著的弯曲。　　入射N原子与TiN(001)表面撞击时,两者间能量传递的不同状态可引起入射原子的吸附与反射、表面原子的溅射。反射与溅射随Ei的增大而加剧,导致N在TiN(001)表面的吸附系数随之减小。不同Ei下入射Ti原子在TiN(001)表面的吸附系数基本等于1。T对吸附行为的影响不大。TiN薄膜在TiN(001)表面层状生长,TiN3是最小的外延岛。薄膜中仅存在 N、Ti空位,其浓度随 T、Ei的增大而减小,这是热扩散与动能辅助的非热扩散增强的结果。为了获得化学计量比的TiN薄膜,入射N:Ti原子流比应大于1,并随Ei的增大而增大。　　基于虚拟幂函数球压头模型构建了薄膜纳米压痕的分子静力学(Molecular statics, MS)模型,讨论了模型中压头半径R、刚性常数k对纳米压痕模拟结果的影响。结果表明,随着k的增大,达到相同的名义压入深度H所需迭代步数逐渐增大,接触原子对压头的穿透深度 hpen逐渐减小到稳定值。当 k较小时,由H与载荷关系根据Hertz弹性表达式拟合得到的约化弹性模量Er将偏小,而使用考虑 hpen的平均压入深度 h则可避免这种情况。纳米压痕过程中材料变形的局部性特征使得用 H来衡量弹性变形程度比用压痕应变更合理,不同 R下Er拟合区间上限应取作相同的H,如果取作初始位错发射的临界深度将引起Er随R的减小而减小的虚假的尺寸效应。　　模拟了Cu(111)和Ag(111)薄膜的纳米压痕过程。结果表明加载时的载荷突降是由多位错发射与滑移引起的;卸载时由高能态层错引起的原子应力使部分位错反向滑移,导致可逆塑性。当交滑移形成(111)面上位错后,(111)薄膜将产生不可逆塑性。不同于Cu(111)膜初始位错发射形成V形半位错环,Ag(111)膜的初始位错发射形成四面体不动锁,后续变形由非平行于被压表面的{111}滑移面上发射的位错所主导;平行于表面的孪晶界(Twin boundary, TB)阻碍位错的运动,从而强化了Ag膜;当TB接近表面时,薄膜变形逐渐被(111)上位错主导;当TB距离表面很近时,TB成为位错源,初始位错组态变为(111)面上的可动位错,从而降低了发射载荷。　　提出了边界补偿投影多边形法,该法计算的面积是物理接触面积。不同于实验中采用的Oliver-Pharr法,该法与压入深度的计算与变形模式的假定无关,因此,由其得到的硬度是真实的材料响应,而Oliver-Pharr法不适于纳米尺度。