基于原位纳米力学测试系统的单晶硅微观机械性能实验

在纳米硬度计上对单晶硅进行了微压痕测试实验,以对单晶硅的微观力学性能有所认识。微压痕测试表明:单晶硅的弹性模量在压入载荷小于2400μN的范围内随载荷变化而波动变化;而在压入载荷大于2400μN后保持相对的稳定值(约为214GPa);单晶硅的表面硬度在压入载荷小于1000μN的范围内随载荷变化而线性增大,而后突然降低并保持相对的稳定值(13.5GPa~15GPa);单晶硅在纳米压入过程中,材料的破坏形式为脆性破裂,并且随压入载荷的增大而在压痕边沿产生堆积,堆积程度亦逐渐增大。     

AFM的纳米硬度测试与分析

基于原子力显微镜(AFM)和金刚石针尖建立了一套纳米压痕测量系统。通过向系统发送控制电压使金刚石针尖在完成加载和卸载全过程的同时进行实时的数据采集并直接绘出载荷-压深曲线。利用该系统,对单晶铝和单晶铜薄膜材料进行了单点压痕实验,用美国Hysitron公司的纳米原位测量仪(TriboIndenter)做了验证试验。实验结果表明,该系统适合测量较软材料的纳米硬度。分析了基体材料对薄膜硬度和弹性模量的影响,在薄膜厚度低于5~10倍压入深度时,基体对薄膜材料的力学性能影响很大;并根据获得的载荷－压深曲线分析得出由于尺度效应的影响,随着压痕深度的减小,薄膜的硬度值呈明显的上升趋势,弹性模量没有这个趋势。