气相沉积硬质薄膜韧性评价方法——压入法

评价气相沉积硬质薄膜的韧性具有重要的工程意义.本文讨论了压入法评价硬质薄膜韧性的原理、方法和参数选择.压入法的原理是载荷导致裂纹形核、扩展,最终形成压痕周围的径向裂纹,而断裂韧性和裂纹之间存在对应关系.压入法的方法是比较压痕形貌特征,其主要影响因素有基体和载荷.对于韧性基体(如金属),小载荷时硬质薄膜与金属同步塑性变形;大载荷下薄膜破裂,但这种情况可能是结合失效破裂,并不反映薄膜的韧性.对于脆性基体(如硅片),小载荷时裂纹会在Si片中形核,并扩展到薄膜中,形成压痕对角线径向裂纹;大载荷时薄膜会严重破裂.定量评价薄膜韧性时,一般采用硬质薄膜/Si片体系,以0.98~9.8N载荷压入脆性基体,采用纳米压入仪测定薄膜的硬度和弹性模量,采用显微镜测量径向裂纹的长度,利用Lawn公式计算得到断裂韧性值.     

Si(111)衬底上离子束溅射沉积法生长β-FeSi2薄膜的研究

采用离子束溅射Fe靶的方法在500～800℃的Si(111)衬底上制备出不同种类的铁硅化合物.当衬底温度为700℃时得到厚度为500nm的单相的β-FeSi2薄膜,高分辨透射电镜证实该β-FeSi2薄膜为局部外延,薄膜和Si衬底之间界面明显,没有中间层.     

火焰喷涂NiCrBSi涂层的纳米力学性能

为揭示热喷涂涂层在不同尺度下的力学性能,在45钢基体上制备了平均厚度为750μm的火焰喷涂NiCrBSi涂层,利用纳米压痕技术研究了不同压痕深度下涂层表/截面力学性能、弹塑性和压痕变形行为。结果表明:涂层表/截面力学性能均呈现明显的尺寸效应,硬度、弹性模量、弹塑性随压入深度增加不断降低。涂层表面表现出高弹性,其压痕弹性功与总压痕功的比值ηIT在500nm深度内达到52%,而涂层截面为40%;涂层截面具有高硬度和高模量,其纳米硬度和弹性模量在2000nm深度内比涂层表面分别高28%和33%。涂层压痕变形表现为理想塑性、凹陷、凸起和裂纹等多种特征,随着压入深度增加,涂层表/截面弹塑性差异逐渐降低,并在2500nm深度同时下降到35%。涂层单一薄层结构在不同方向具有相同的硬度和弹性模量,但随压入深度增大,压头包含的涂层体积增大,相邻薄层,特别是孔隙、裂纹、层间边界等缺陷对涂层性能的影响逐渐增强,导致涂层表/截面硬度和弹性模量的差异性随压痕深度增加不断降低。     

退火温度对Bi3.15(Eu0.7Nd0.15)Ti3O12铁电薄膜力学性能的影响

利用金属有机物分解法(MOD)在Pt/Ti/SiO2/Si(111)衬底上制备了Bi3.15(Eu0.7Nd0.15)Ti3O12(BENT)薄膜,并经600℃、650℃、700℃、750℃退火处理。通过纳米压痕法测试了薄膜的硬度和弹性模量,采用X射线衍射(XRD)测量了薄膜的残余应力。BENT薄膜的晶粒尺寸随着退火温度的升高而不断变大。当晶粒尺寸从37 nm增大到46 nm时,薄膜的硬度值从8.4 GPa减少到3.1 GPa,弹性模量从171.5 GPa减小到141.6 GPa。随着退火温度从600℃升高到750℃时,薄膜的残余压应力值从–743 MPa减小到了–530 MPa。退火温度为600℃的BENT薄膜具有最大的硬度和弹性模量。     

衬底偏压对CrN／Si3N4纳米多层膜结构和力学性能的影响

采用磁控溅射法在不同基底偏压条件下制备了CrN／Si3N4纳米多层膜,用x射线衍射仪、原子力显微镜及纳米压痕仪表征,结果表明,衬底偏压对CrN／Si3N4纳米多层膜微观结构、界面结构、硬度和磨损性能有重要影响;漂浮电位时,导致多层膜界面粗糙,CrN呈（200）、（111）共同生长,硬度和弹性模量低;当偏压变化时,界面宽度和粗糙度变化不大,硬度和模量变化的主要原因是不同衬底偏压下的晶格畸变导致两层材料弹性模量变化和晶粒尺寸变化。与漂浮电位相比,涂层的屈服应力和断裂韧性有所增强。     

Sol-gel法制备Si基Bi_(3.15)Nd_(0.85)Ti_3O_(12)铁电薄膜

采用Sol-gel法分别在Si(100)和Si(111)衬底上制备Bi_(3.15)Nd_(0.85)Ti_3O_(12)(BNT)铁电薄膜。研究了衬底、退火温度、退火保温时间和薄膜厚度等因素对BNT铁电薄膜结晶和微观结构的影响。在500℃退火的BNT薄膜已经结晶形成层状钙钛矿相;升高退火温度(500～800℃)、延长保温时间(30～150min)、增加薄膜厚度(170～850nm),都有利于BNT薄膜晶粒长大,其中退火温度和薄膜厚度是影响晶粒长大的关键因素;每次涂覆的厚度大约是85nm。与Si(100)衬底相比,由于Si(111)与BNT薄膜具有更好的晶格匹配,因此BNT薄膜在Si(111)衬底上更容易结晶。     

偏压对CrN/Si3N4纳米多层膜结构、硬度和断裂韧性的影响

利用磁控溅射法在不同基底偏压条件下制备了CrN/Si3N4纳米多层膜,分别用X射线衍射仪、原子力显微镜及纳米压痕仪表征多层膜的微观结构及力学性能,结果表明,衬底偏压对CrN/Si3N4纳米多层膜微观结构、界面结构、硬度和磨损性能有重要影响。漂浮电位时多层膜界面粗糙,CrN呈(200)、(111)共同生长,硬度和弹性模量低,有偏压且变化时界面宽度和粗糙度变化不大,硬度和模量变化的主要原因是不同衬底偏压下的晶格畸变导致两层材料弹性模量变化和晶粒尺寸变化。基底偏压的优化有助于改善涂层的屈服应力和断裂韧性。     

一种钠钙硅酸盐玻璃的纳米压痕测试分析

采用纳米压痕测试技术对一种钠钙硅酸盐玻璃进行微观力学性能的测试分析.测得加载-卸载过程载荷与压入深度曲线,发现被测玻璃的最大压深、残余深度和弹性回复量随最大加载力的增加而增大,但其相对弹性回复率系数基本稳定,平均值为58.2%.通过电子显微镜观察了不同最大载荷下的压痕形貌,发现压痕区域出现了边界沉陷现象.当最大加载力为1 000 mN左右时,三棱锥工具头测试的压痕区域出现了较明显的微裂纹;采用四棱锥工具头时出现微裂纹的最大加载力要小于该值,且裂纹取向均与金刚石工具头的棱角取向一致.利用非线性有限元软件MSC.Marc对纳米压痕过程进行了仿真分析,得到载荷与压入深度的仿真曲线,该曲线与试验结果基本相符;分析了载荷作用下材料内部的应力分布.利用Oliver-Pharr模型得到不同压入深度下被测玻璃的接触刚度值,该值随压入深度的增加而增大.     

微纳米尺度单晶铜各向异性纳米力学分析

采用纳米压痕测量仪对<100>、<110>、<111>不同取向的单晶铜进行了微纳米尺度纳米压痕试验,并对其硬度、约化弹性模量及卸载过程形貌等进行了对比分析.结果表明:在微纳米尺度下,不同取向单晶铜硬度值存在明显的尺寸效应,当压入深度小于30 nm时,单晶铜的硬度值随着压入深度的增加而增大,随后随着压入深度的增加而逐渐减小至0.8 GPa左右.<110>取向单晶铜的约化弹性模量值最大,<111>取向次之,<100>取向最小;<100>、<110>、<111>取向单晶铜的卸载表面均出现明显的堆积现象,其中<110>取向单晶铜出现明显的二维对称堆积形貌,<100>取向单晶铜的弹性恢复位移最大,而<110>取向单晶铜的弹性恢复位移最小.     

几种单晶半导体材料在压痕下的变形与断裂行为比较

采用显微压痕方法研究了Si、Ge、GaAs和InP四种半导体单晶的变形与断裂行为.通过测量[100]取向单晶体面内的显微硬度,裂纹开裂的临界压痕尺寸以及断裂韧性,分析了这四种材料力学性能的面内各向异性行为.结果表明:在压痕载荷的作用下,Si和Ge的塑性变形以剪切断层为主,而GaAs和InP则通过滑移系的开动协调变形.[100]取向的Si、Ge、GaAs和InP四种单晶的面内显微硬度、弹性模量和断裂韧性表现出不同程度的各向异性.裂纹长度与压痕尺寸间的关系表明,与GaAs和InP相比,Si、Ge具有较小的临界压痕尺寸和拟合直线斜率,这一临界压痕尺寸和拟合直线斜率的变化规律分别与材料的硬度和断裂韧性的变化规律一致.     

Vickers压入识别氮化硅断裂韧性

依据仪器化Vickers压入氮化硅断裂韧性实验获得的有关压痕裂纹参数,通过有限元数值分析方法识别出氮化硅的弹性模量和屈服强度,进一步采用虚拟裂纹闭合法确定其裂纹尖端的应力强度因子KI。以此为基础,与氮化硅断裂韧性标准值对比,分析有限元仿真KIC结果和基于L-E-M模型建立的3种典型陶瓷断裂韧性压入测试方法的准确度。结果表明:基于Vickers压入有限元数值分析结果的最大误差仅为2.38%,Anstis公式最大识别误差为2.65%,而Lawn公式和Miyoshi公式的识别误差的绝对值均超过10%,因此Vickers压入测试具有较高测试准确度。     

金属间化合物Ni3Al薄膜的制备及性能研究

采用直流磁控共溅射法,在衬底温度为450℃的SiO2基体上制备了厚度为500nm的Ni3Al薄膜,X射线衍射(XRD)和透射电子显微镜(TEM)等测试表明,薄膜为(111)取向的L12型晶体结构金属间化合物。采用纳米压痕方法测试了薄膜的力学性能,其硬度为8.00GPa,弹性模量为200GPa。为克服亚微米级薄膜氧化增重难以测量的困难,采用四探针测试金属薄膜电阻的方法,间接给出了薄膜的腐蚀性能和高温氧化程度。结果表明Ni3Al金属间化合物薄膜的氧化速率为2.28×10-13g2/(cm4.s),薄膜具有良好的高温抗氧化性能。     

CaRuO3电极对(Ba,Sr)TiO3薄膜的介电特性的影响

在Pt(111)/Ti/SiO2/Si(100)衬底上,用脉冲激光沉积工艺分别制备出了(110)外延取向生长的(Ba0.65Sr0.35)TiO3/CaRuO3(BST/CRO)异质结构薄膜;BST/CRO异质结构薄膜由纳米晶团簇组成,最大的团簇晶粒达500 nm,平均晶粒尺寸在60～80 nm,薄膜厚度为650 nm.BST/CRO异质结薄膜均为表面平滑和致密结构.BST/CRO异质结薄膜的介电常数和介电调谐率分别高达851和78.1%.与纯BST薄膜比较,用CRO作电极,增益介电常数与介电调谐率.     

SiO2/Si(111)表面Ge量子点的生长研究

Si衬底用化学方法清洗后,表面大约残余1.0 nm厚SiO2薄膜.利用原子力显微镜(AFM)和反射高能电子衍射(RHEED)来研究温度和Ge蒸发厚度对在SiO2薄膜表面生长的Ge量子点的影响.实验结果表明,当衬底温度超过500 ℃时,SiO2开始与Ge原子发生化学反应,并形成与Si(111)表面直接外延的Ge量子点.在650 ℃时,只有Ge的厚度达到0.5nm时,Ge量子点才开始形成.     

SiO2/Si(111)表面Ge量子点的生长研究

Si衬底用化学方法清洗后,表面大约残余1.0 nm厚SiO2薄膜.利用原子力显微镜(AFM)和反射高能电子衍射(RHEED)来研究温度和Ge蒸发厚度对在SiO2薄膜表面生长的Ge量子点的影响.实验结果表明,当衬底温度超过500 ℃时,SiO2开始与Ge原子发生化学反应,并形成与Si(111)表面直接外延的Ge量子点.在650 ℃时,只有Ge的厚度达到0.5nm时,Ge量子点才开始形成.     

定向凝固多晶硅在微纳尺度下的力学性能研究

采用纳米压痕测试系统测试了定向凝固多晶硅沿晶体生长方向横/纵截面的硬度与弹性模量,分析了其受组织各向异性影响的变化规律。使用连续刚度方法借助玻氏压头采集压痕开裂前的硬度与弹性模量,并测量压痕开裂后裂纹尖端到压痕中心点的距离,一次性计算出材料的断裂韧性,避免了开裂对硬度以及弹性模量的影响。结果表明:横截面(110)面的硬度与弹性模量均低于纵截面(111)面,但断裂韧性呈现相反趋势。借助3D原位扫描功能扫描压痕裂纹的三维形貌,发现裂纹主要由剪切滑移台阶所形成。拟合不同载荷下的裂纹长度以及压痕尺寸得出临界压痕尺寸,该值与运用理论推导得出的临界压痕尺寸的结果一致。     

直流/射频耦合反应磁控溅射法类金刚石薄膜的制备与分析

采用直流/射频耦合反应磁控溅射法在Si(111)衬底上使用高纯石墨靶材制备出了类金刚石(DLC)薄膜。分别采用表面轮廓仪、激光拉曼光谱、傅里叶变换红外光谱、X射线光电子能谱、扫描电镜、白光干涉仪、纳米压痕对薄膜的性能进行了表征和分析。研究了沉积过程中不同工作气压(0.35~1.25Pa)对薄膜沉积速率、结构、表面形貌及力学性能的影响。研究表明,随着工作气压的升高,薄膜的沉积速率逐渐减小,薄膜中sp3含量先升高后降低;薄膜表面粗糙度随工作气压的升高呈现出先降低后升高的趋势,且在工作气压为1.0Pa时达到最小值6.68nm;随着工作气压的升高,薄膜的显微硬度与体弹性模量先升高后降低,且在工作气压为1.0Pa时分别达到最大值11.6和120.7GPa。     

掺杂Ti的纳米CrSi_2薄膜的制备

利用多靶磁控溅射设备交替沉积Cr、Ti和Si层,并通过随后的真空退火处理,制备了掺杂Ti的CrSi2薄膜。交替沉积薄膜500℃退火2h,薄膜中除含有(Cr,Ti)Si2相外,还有部分残留的沉积Si相和少量反应生成的CrSi相;退火时间增加,沉积Si相和CrSi相减少而(Cr,Ti)Si2相增多;500℃退火6h及以上时,薄膜中仅有(Cr,Ti)Si2相。测量薄膜X射线衍射峰半高宽,利用谢乐公式估算薄膜平均晶粒尺寸表明,退火时间从2h增加到8h,薄膜中(Cr,Ti)Si2相晶粒尺寸由68nm近似线性增加到81nm。退火获得的(Cr,Ti)Si2薄膜具有纳米结构和(111)面单一取向。随着掺杂Ti原子分数的增加,薄膜X射线衍射谱中(Cr,Ti)Si2(111)晶面衍射角逐渐向低角度方向移动,这反映(Cr,Ti)Si2相的晶格常数a和c逐渐增大。晶格常数的变化与掺杂Ti的原子分数近似呈线性关系,这是结构中半径较大的Ti原子替换半径较小的Cr原子所造成的。计算分析显示,单晶Si(100)上(Cr,Ti)Si2(111)晶面外延生长是它们的界面晶格畸变能较低的结果;Ti原子分数增加,(Cr,Ti)Si2薄膜的(111)晶面择优取向程度下降。     

晶粒尺寸及加载载荷对多晶Cu膜纳米压入硬度影响的研究

用高真空磁控溅射在Si片上沉积纳米晶Cu膜和非纳米晶Cu膜，通过纳米压入实验得到薄膜硬度。发现晶粒尺寸对薄膜材料的压痕尺寸效应有比较大的影响，同时随加载载荷的升高，纳米晶薄膜硬度的变化与非纳米晶薄膜有很大的不同。分析认为这是因为晶粒尺寸达到纳米尺度后，晶界体积大大增加，使得晶界变形，晶界运动和晶界对位错运动的阻碍等作用影响材料塑性变形和加工硬化能力造成的。     

热丝CVD法低温制备的多晶硅薄膜质量对衬底依赖性的研究

以SiH4和H2作为反应气体,采用HWCVD的方法分别在石英玻璃、AZO、Si（100）和Si（111）衬底上制备了多晶硅薄膜。利用X射线衍射（XRD）,拉曼（Raman）光谱和傅里叶红外（FT-IR）吸收光谱研究了不同衬底对多晶硅薄膜的择优取向、晶化率和应力的影响,用SEM观察了多晶硅薄膜的表面形貌。研究发现在4种衬底上生长的多晶硅薄膜均为（111）择优取向。单晶硅片对多晶硅薄膜有很强的诱导作用,并且Si（111）的诱导作用优于Si（100）的诱导作用。AZO对多晶硅薄膜生长也有一定的诱导作用。通过计算薄膜晶态比,得到除以石英为衬底的样品外,其它3种样品的晶态比均在90%以上,尤其以单晶硅片为衬底的样品更高。石英玻璃、AZO和Si（100）上生长的多晶硅薄膜中均存在压应力。