纳米材料的热稳定性关系到纳米材料能否在较高温度下保持纳米级的晶粒尺寸,而晶粒尺寸的稳定性关系到纳米材料能否在较高温度下保持优异的机械性能和理化性能。因此,纳米材料的热稳定性研究一直是纳米材料研究的一个热点。目前,国内外学者在对纳米材料的热稳定性研究中已经发现了多种抑制晶粒生长的机制,包括:溶质颗粒拖曳,第二相颗粒拖曳,气孔,空位,三叉晶界拖曳,厚度效应等。关于厚度效应抑制晶粒生长,虽然从上世纪40年代末就已被提出来,但国内外对厚度效应对纳米材料晶粒生长抑制作用的研究却鲜有报道,尤其是退火过程中厚度效应抑制晶粒生长的动力学研究,至今仍未有详细的研究。本论文采用各向异性蒙特卡罗方法模拟不同厚度的纳米薄膜退火过程中的晶粒尺寸演化,并采用磁控溅射方法制备纳米多晶薄膜,从理论模拟和实验两方面对纳米薄膜中的厚度效应进行研究。将Read-Shockley各向异性晶界能模型引入蒙特卡罗模拟,并对经典的蒙特卡罗模型进行了改进处理:1.改进通常3D模拟中周期性边界条件的设定,将薄膜厚度方向设置为自由边界,其他两个方向为周期性边界;2.统计晶粒尺寸时只考虑最近邻单元,而不再考虑次近邻和第三近邻;3.减小系统最大取向数为64,在确保取向值不影响晶粒生长的情况下尽可能使取向值的设定满足晶界的一般定义;4.采用加速法,认为选定单元只能从邻近单元中选择取向值,而不再是任意的取向值。模拟结果显示:厚效应并不是在晶粒生长初期便呈现出来,而是当晶粒尺寸达到厚度的0.8-1.2倍的时候才变得明显。通过引入厚度因子来修正Burke提出的动力学模型,可以得到描述纳米薄膜中厚度效应抑制晶粒生长的动力学方程。该方程较前人提出的方程物理含义更为清晰,且与模拟结果更为符合。为从实验上研究纳米薄膜中晶粒生长的厚度效应并检验模拟结果和修正方程的合理性,薄膜体系的设计需要满足研究厚度效应的标准,并尽可能与模拟条件相符,为此本文设计了厚度为纳米尺寸的Co/SiO₂以及Ni/SiO₂多层膜结构,以此研究该薄膜退火时的晶粒尺寸演化过程。该多层膜体系由于每个金属单层均被SiO₂非晶层隔开,可以认为每一个金属单层是一个独立的纳米薄膜结构,并且金属单层满足模拟的边界条件,即薄膜的上下表面处于同一状态。此外,多层膜结构具有很好的统计性,相比单层膜数据可靠性高。薄膜的制备方法采用磁控溅射法,该方法可以沉积表面平整,膜内晶粒尺寸小至10nm左右的金属薄膜,并且通过控制溅射功率和沉积时间以制备不同调制层厚度的纳米级多层膜结构。将多层膜结构在特定温度下退火不同时间。通过XRD,SEM,TEM表征其微观组织,并采用Voigt函数计算平均晶粒尺寸。实验结果显示:1. Co/SiO₂多层膜结构XRD数据显示,金属Co层以大量fcc-β相和少量hcp-α相存在。将晶粒的生长过程用修正后的Burke方程进行拟合,其拟合结果明显好于修正前的Burke方程。两种厚度的Co薄膜中晶粒生长的极限尺寸均小于厚度,与早期单相的晶粒生长研究不完全相符,可能是因为少量hcp-α相的存在,抑制了fcc-β相晶粒生长;2. Ni/SiO₂多层膜结构XRD数据显示,金属Ni层均以fcc-γ相存在。将晶粒的生长过程用修正后的方程拟合可以得到很好的拟合结果,而用Burke方程拟合,结果相对较差。以上的理论模拟和实验结果均表明,Burke方程不能准确描述纳米材料的厚度抑制效应,而本文将厚度因子引入后,建立了新的修正方程,该方程从理论解释和实验数据拟合上均优于Burke方程。