残余应力与基底效应对光栅厚铝膜纳米压痕耦合影响研究

机刻中阶梯衍射光栅厚铝膜通过真空蒸镀方法获得,其内部存在残余应力,与基底效应耦合作用,增加纳米压入测试与刻划成槽模拟仿真的研究难度。为此,基于材料变形弹塑性接触理论和量纲分析方法,建立具有内部残余应力的光栅厚铝膜模型,研究内部残余应力与基底效应耦合作用对纳米压痕硬度与隆起高度的影响规律。结果显示,随着薄膜内部残余应力变大,铝膜载荷和表面隆起高度减小;受基底效应耦合影响,其二者变化趋势逐渐增大。此研究为机刻衍射光栅厚铝膜力学性能纳米压入测试及刻划成槽研究提供重要参考。     

基于应变梯度理论的光栅铝膜本构关系表征及纳米压痕实验

基于应变梯度理论,提出了一种玻璃基底光栅铝膜本构关系的表征方法。建立了包含基底参数和铝膜参数的本构关系数学模型,并逐一表征了相关参数。进行了79g/mm中阶梯光栅铝膜的纳米压痕实验,验证了上述本构关系表征过程的正确性。提出了光栅薄膜材料和基底材料都具有尺度效应的假设,并应用纳米压痕实验对铝膜的尺度效应和基底效应进行了实验表征。对光栅铝膜压痕实验与含基底压深实验的结果进行了比较,结果显示,在有无基底条件下,压痕结果在应力方向上相差0.8倍,在应变方向上相差3倍。进行了光栅刻划实验,结果显示压痕实验对刻划实验具有重要的指导作用。研究过程及研究结果表明:理论分析和两种实验可有效地分析光栅刻划过程,有助于在实际光栅刻划过程中减小误差,对光栅刻划的工艺过程具有较好的理论指导意义。     

衍射光栅机械刻划成槽过程中的应力拓扑分析

衍射光栅机械刻划属于超精密刻划,其刻划过程是利用金刚石刻刀对铝膜材料进行的多线顺序刻划。由于光栅槽面精度要求较高,而光栅槽面精度与其表面应力分布有很大关系,为此我们以衍射光栅为研究背景,通过CATIA对金刚石尖劈刀进行三维建模并利用缩小比例功能在DERORM-3D中建立衍射光栅机械刻划的有限元仿真模型,以更好地分析衍射光栅机械刻划过程中光栅槽面的应力分布情况,揭示衍射光栅机械刻划过程中槽面的弹塑性变形规律,为提高槽形质量提高依据。     

衍射光栅机械刻划工艺理论分析与实验研究

目前,“试刻划”加工光栅的工艺模式耗时长、效率低,且机械刻划光栅的槽形无法准确预控。通过纳米压痕实验对光栅刻划铝薄膜的微观结构及力学性能进行了表征,采用DEFORM有限元分析软件并结合正交试验对成槽过程进行了研究,通过对数据进行极差分析和单因素影响规律实验分析,建立了槽底角数学工艺模型。研究结果表明,光栅刻划过程可转化为楔体下压过程,基于有限元模拟实验的槽底角数学工艺模型可用。     

中阶梯衍射光栅厚铝膜硬度研究

铝薄膜硬度对机械刻制中阶梯母光栅质量影响显著,常采用纳米压入方法进行硬度测试。由于薄膜"三明治"式复合结构,进一步增加薄膜硬度表征的困难。为探究光栅厚铝薄膜的硬度特性,对其做浅压深和大压深纳米压痕实验,基于Nix-Gao模型和压痕功法,进行实验数据拟合与分析。结果显示,衍射光栅铝膜的本征硬度为0.480 6 GPa,浅压深拟合得到的尺度效应特征长度为0.38μm,大压深拟合得到的尺度效应长度为2.22μm,此研究揭示出基底存在尺度效应,为中阶梯衍射光栅厚铝膜的硬度研究提供参考和指导。     

衍射光栅机械刻划成槽的预控试验

由于目前机械刻划衍射光栅加工仍依赖操作者经验,故存在成槽质量差、无法预控等问题.本文结合铝薄膜蒸镀工艺现状,采用X射线衍射法(XRD)、扫描电子显微镜法(SEM)及纳米压痕实验揭示不同薄膜样本的微观结构与力学属性,提出了制作衍射光栅的“薄膜分类试刻法”.研究结果表明,光栅刻划过程可近似等效为楔体下压过程,对“低弹性模量类”薄膜,可采用滑移线场进行解析求解并一次试刻成槽;对“弹塑性类”薄膜,可采用有限元模拟实验进行成槽预控.该方法可预先对薄膜甄别分类,用不同的计算方法确定不同种类薄膜的工装参数,进而刻划出近乎完美的槽形;同时减少了试验刻划耗时与浪费,提高了成槽质量与刻划效率;为刻划更加精密的光栅奠定了基础.     

光栅分层结构铝膜塑变应力传递规律研究

近似采用连续均匀介质模型表征分层铝膜机械刻划塑变过程时,无法准确揭示铝膜微观结构对应力传递的影响规律,直接阻碍刻划光栅精密控形成槽技术的获取。首先通过扫描电镜获取光栅毛坯上分层铝膜的微观形貌,结合混合率理论建立具有晶粒晶界特性的两相晶粒模型。其次通过纳米压痕及纳米划痕实验获取分层结构铝膜的力学特性。最后利用Abaqus软件,对光栅机械刻划过程进行仿真分析。分析研究表明:临近刻槽的晶界在形变结束后储存压应力,阻碍下方晶粒中拉应力的释放。仿真中的回弹量与划痕数据相吻合,误差较传统模型减小一半。两相晶粒模型可以很好地揭示具有分层结构铝膜的加载形变规律。     

X射线激光自支撑Mo滤光膜的制备及特性研究

用直流平面磁控溅射方法在抛光玻璃衬底上淀积 Mo薄膜 ,将薄膜在真空环境中进行热处理 ,用扫描探针显微镜 ( SPM)方法观察了薄膜的表面形貌 ,X-射线衍射方法分析了薄膜中应力各向异性特征及其与淀积时溅射气体压强和真空热处理的关系。发现薄膜中晶粒具有明显的择优取向 ,内应力沿径向对称分布 ,切向应力比径向应力更具有压应力特性 ,应力的各向异性特征与溅射原子的入射方向有关。真空热处理对薄膜中压应力的释放作用不明显 ,然而能有效地释放薄膜中的张应力。用 HF酸腐蚀衬底的方法制备了自支撑 Mo薄膜 ,发现脱膜前后薄膜表面微观形貌未产生大的变化。     

X射线激光自支撑Mo滤光膜的制备及特性研究

用直流平面磁控溅射方法在抛光玻璃衬底上淀积Mo薄膜,将薄膜在真空环境中进行热处理,用扫描探针显微镜(SPM)方法观察了薄膜的表面形貌,X-射线衍射方法分析了薄膜中应力各向异性特征及其与淀积时溅射气体压强和真空热处理的关系.发现薄膜中晶粒具有明显的择优取向,内应力沿径向对称分布,切向应力比径向应力更具有压应力特性,应力的各向异性特征与溅射原子的入射方向有关.真空热处理对薄膜中压应力的释放作用不明显,然而能有效地释放薄膜中的张应力.用HF酸腐蚀衬底的方法制备了自支撑Mo薄膜,发现脱膜前后薄膜表面微观形貌未产生大的变化.     

X射线激光自支撑Mo滤光膜的制备及特性研究

用直流平面磁控溅射方法在抛光玻璃衬底上淀积Mo薄膜,将薄膜在真空环境中进行热处理,用扫描探针显微镜(SPM)方法观察了薄膜的表面形貌,X-射线衍射方法分析了薄膜中应力各向异性特征及其与淀积时溅射气体压强和真空热处理的关系.发现薄膜中晶粒具有明显的择优取向,内应力沿径向对称分布,切向应力比径向应力更具有压应力特性,应力的各向异性特征与溅射原子的入射方向有关.真空热处理对薄膜中压应力的释放作用不明显,然而能有效地释放薄膜中的张应力.用HF酸腐蚀衬底的方法制备了自支撑Mo薄膜,发现脱膜前后薄膜表面微观形貌未产生大的变化.     

衍射光栅铝膜纳米压痕基底效应有限元模拟研究

为探究衍射光栅铝膜基底效应对纳米压痕过程的影响,基于ABAQUS有限元分析软件,采用对比分析的方法,建立有基底铝膜和无基底铝膜模型,模拟纳米压痕的压入过程。结果表明,当出现基底效应后,有基底铝膜的回弹量比无基底铝膜小,隆起高度先比无基底铝膜小,之后大,载荷比无基底铝膜大,且基底效应逐渐变大。通过分析铝膜中基底效应对纳米压痕过程的影响,为衍射光栅铝膜力学性能研究提供了重要参考。     

一氧化硅薄膜剩余应力的退火

郝兰(Holland)等(1960)曾经在对这个杂志的通讯备忘录中提出过,如果薄膜在700℃或以上的温度退火,或当淀积时基底温度是200℃或更高,那么淀积在碳酸钠石灰玻璃上的一氧化硅薄膜的内应力能够被消除。我们曾经对于一氧化硅的应力进行过研究(1961年真空讨论汇编),同时在这个备忘录中我们将描述退火过程的一些细节。     

金属基底刻划红外光栅试制成功

<正> 金属基底刻划红外光栅是用于高能激光器如二氧化碳激光器选频用的分光元件。金属基底刻划红外光栅是选用金属材料,加工成有一定光学性能的光栅白坯、表面蒸镀一层铝或其它材料,并进行刻划而制成的。这种光栅的特点是由于金属基底传热快,在承受高温性能方面大大优于玻璃基底刻划光栅,我们曾在上海精密光学机械研究所的热情帮助下,作了比较:将一块石英玻璃基底的刻划光栅和一块金属基底的刻划光栅,用在同一个二氧化碳激光器上,结果表明石英基底刻划光栅表面铝膜很快就氧化,     

PECVD氮化硅薄膜内应力试验研究

研究了等离子体增强化学气相沉积氮化硅薄膜的内应力.通过改变沉积工艺参数,研究了射频功率、反应气体流量比、栽气体分压比和反应压强对氮化硅薄膜的内应力的影响,并且分析了氮化硅薄膜内应力的形成机制.制备出了应力只有-182.4 MPa的低应力氮化硅薄膜.     

用于应力测量的可调谐光栅

为了更简单地制备出可用于应力测量的光栅褶皱结构,采用基于刚性薄膜/柔性衬底的自组装工艺制备了可调谐光栅。首先在聚乙烯对苯二酸脂(PET)薄膜上旋涂一层聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜,将双层薄膜弯曲并用氧气等离子体处理,在其表面生成一层刚性氧化层,借助柔性PET对刚性层施加均匀应力,当应力超过临界值时,在PDMS基底上自组装形成光栅褶皱结构。然后根据光栅分光原理,将这种可调谐的光栅结构应用于应力测试。实验结果表明:当光栅的曲率半径为1.4mm时,制备的可调谐光栅褶皱在0%~10%的应变范围得到的波长变化为452~507nm;当光栅的曲率半径为5.6mm时,制备的可调谐光栅褶皱在0%~15%的应变范围得到的波长变化为498~572nm。本文提出的可调谐光栅制备方法是一种成本低、工艺简单、可批量化生产的工艺方法,也是一种制备变间距光栅的潜在方法,未来有望应用于光谱仪、光通讯等领域。     

内应力

很久以来,人们就已了解,在基底上生长的薄膜通常都存在很大的内应力。这些应力能够使薄膜产生裂纹(由张应力造成)或产生皱折(由压应力所造成)而破坏。例如对于应用在小型电子器件中的薄膜这是很严重的妨碍。应力也可以引起某些特殊量的各向异性,例如铁磁薄膜的磁化或电介质薄膜的折射率。要求制备没有应办的金属和电介质两种薄膜大大推动了应力的研究工作。     

铁铝阻抗匹配靶的精密扩散连接

为了获得某些材料在在高压条件下的物态方程,制备了用于激光驱动状态方程实验的铁铝阻抗匹配靶,研究了铁铝薄膜的精密热扩散连接技术。以冷轧铁薄膜和超精密加工铝薄膜为原料,研究了热复合工艺条件对其表面形貌、结晶性能、连接界面等参数的影响。利用白光干涉共焦显微镜、X射线衍射仪、膜厚测量仪、扫描电镜等仪器对靶件的表面形貌、厚度、结晶特性、残余应力及界面成分分布等进行分析表征,掌握了相关参数的变化趋势。据此优化工艺参数,制备了高质量的铁-铝阻抗匹配靶。对成靶的测试结果显示,其表面粗糙度小于100nm、厚度一致性控制在100nm以内、界面扩散层厚度约为200nm,且未观测到显微缺陷,满足物理实验的具体要求。     

主副双刀机械刻划装置的开发与试验研究

超精密机械刻划加工领域中,在金属薄膜表面进行重复刻划(如衍射光栅)是一种罕见的加工方式,而工件材料(如铝膜)的回弹现象直接制约加工精度的进一步提高。本文根据衍射光栅机械刻划原理设计了一种主副双刀机械刻划装置的结构方案,并通过软硬件开发应用到衍射光栅机械刻划工艺的试验过程中,获得了更为精准的理想槽型的衍射光栅。通过扫描电子显微镜检测衍射光栅的槽型,分析得出主副双刀比单刀机械刻划出衍射光栅槽型的闪耀角精度提高了0.05°,进而验证了该装置的可行性,为后续工艺研究和工程应用研究提供了软硬件平台基础。     

衍射光栅槽形隆起的数学建模及演变规律

以79g/mm的中阶梯衍射光栅为目标,研究衍射光栅机械刻划过程中铝膜的槽形隆起机制。首先,经过4次坐标变换,建立了光栅槽形的塑流剖面。然后,基于Lee and Shaffer提出的滑移线场模型,在塑流剖面内建立起包含滞留区域的滑移现场模型,并根据Dewhurst and Collins提出的矩阵算法对滑移线场进行求解,最终得到槽形隆起尺寸模型。最后,通过DEFORM软件对槽形隆起尺寸的演变规律进行模拟分析。     

机械刻划层分结构铝膜刀具磨损研究

掌握机刻光栅刀具磨损机理是稳定制备大面积光栅的关键,由镀制工艺决定的具有层分结构铝膜是机刻光栅的首选膜坯。为获取光栅机械刻划过程中层分构铝膜对金刚石刻划刀具磨损影响规律,首次开展层分构铝膜力学性能测试与刀具刻划磨损规律研究,采用纳米压痕实验测得层分构铝膜硬度与弹性模量分别为0.48 GPa与65.2 GPa,满足Hall-Petch强化理论。据此,首次运用Deform 3D有限元分析软件建立层分构铝膜模型,将刻深位置设置在铝膜层分界面位置,分别对刻深在2μm与4μm的单层与4层铝膜进行刻划仿真后发现,分层膜界面对于其应力传递影响作用明显,且刻深突破第一、二层铝膜界面时,该界面对于应力传递的阻碍作用消失;不同刻深刻划单层和4层铝膜时刀具磨损形式与磨损部位大体相同,但刻划4层铝膜时刀具磨损较小,与后续机刻试验结果相符。