第四讲薄膜材料物理第二章薄膜的力学性质ppt课件

1、第第四四讲讲 第二章第二章 薄膜的力学性质薄膜的力学性质 第二章第二章 薄膜的力学性质薄膜的力学性质( (续续) ) 第四讲第四讲第第四四讲讲 第二章第二章 薄膜的力学性质薄膜的力学性质 使使薄薄膜膜处处于于压压应应力力状状态态选选基基片片材材料料；1 1、基基片片情情况况 基基片片表表面面晶晶格格结结构构须须与与薄薄膜膜相相匹匹配配；基基片片温温度度（淀淀积积时时）对对内内应应力力影影响响大大。2 2、淀淀积积基基片片温温度度吸吸附附原原子子在在基基片片表表面面的的迁迁移移能能力力 决决定定薄薄膜膜的的结结构构、成成份份、晶晶粒粒尺尺 寸寸、晶晶面面取取向向以以及及各各种种缺缺陷陷的的 工工

2、艺艺对对内内应应力力的的影影响响基基片片情情况况，淀淀积积过过程程， 薄薄膜膜本本身身。 数数量量和和分分布布。第第四四讲讲 第二章第二章 薄膜的力学性质薄膜的力学性质 3 3、淀淀积积过过程程对对薄薄膜膜内内应应力力的的影影响响 影影响响因因素素：淀淀积积方方式式、热热源源温温度度、淀淀积积速速率率、 入入射射角角度度和和环环境境气气氛氛。溅溅射射镀镀膜膜溅溅射射气气体体进进入入膜膜内内（1 1）淀淀积积方方式式 本本征征应应力力增增大大 蒸蒸发发镀镀膜膜慢慢蒸蒸本本征征应应力力小小淀淀积积速速率率晶晶粒粒平平均均尺尺寸寸内内应应力力大大（2 2）例例外外：有有例例外外具具体体情情况况具具体

3、体分分析析第第四四讲讲 第二章第二章 薄膜的力学性质薄膜的力学性质 （3 3）环环境境气气氛氛可可直直接接进进入入结结构构不不够够紧紧密密的的薄薄膜膜中中， 从从而而产产生生压压应应力力。 若若薄薄膜膜中中的的残残余余气气体体再再跑跑出出来来，在在薄薄膜膜中中留留 下下空空位位和和空空位位团团，从从而而出出现现张张应应力力。高高氧氧气气压压下下靶靶表表面面氧氧化化 溅溅射射氧氧化化膜膜张张应应力力 钽钽膜膜：低低氧氧气气压压下下在在基基片片上上发发生生氧氧化化 压压应应力力第第四四讲讲 第二章第二章 薄膜的力学性质薄膜的力学性质 1091084 1015000.01104 1015005 10

4、mmmGGTGTCGGTC 代代入入上上式式得得出出薄薄膜膜的的内内应应力力为为：薄薄膜膜材材料料的的弹弹性性模模量量泊泊松松比比，横横向向切切应应变变，纵纵向向切切应应变变若若薄薄膜膜块块材材，则则薄薄膜膜的的内内应应力力张张应应力力若若薄薄膜膜块块材材 移移动动（退退火火）则则薄薄膜膜内内应应力力变变小小注注意意：用用x x射射衍衍射射法法测测内内应应力力，不不含含膜膜内内无无定定形形区区及及微微小小晶晶粒粒区区的的内内应应力力， 因因此此比比悬悬臂臂梁梁法法测测得得数数值值要要小小。第第四四讲讲 第二章第二章 薄膜的力学性质薄膜的力学性质 2.5 薄膜的机械强度分为抗张强度、耐压强度用硬

5、度表示）薄膜常开裂薄膜的断裂是它的应力应变曲线的终点抗张强度与应力应变关系紧密。2.5.1 薄膜的应力应变曲线块材：先线性弹性阶段非线性弹性阶段 塑性变形薄膜：有可能发生蠕变，因为薄膜内的缺陷较多，受到内部弹性能的活化而发生了一些变化。 与块材不同第第四四讲讲 第二章第二章 薄膜的力学性质薄膜的力学性质 2.5.2 2.5.2 薄膜的抗张强度薄膜的抗张强度薄膜的断裂机理：在薄膜的内部局限区域中发生塑薄膜的断裂机理：在薄膜的内部局限区域中发生塑 性变形，导致在该处变薄，结果这个区域中内性变形，导致在该处变薄，结果这个区域中内 应力增大，出应力增大，出 现小的裂纹，最后发生断裂。现小的裂纹，最后发

6、生断裂。薄膜特点：缺陷较多，表面积与体积之比很大，薄膜特点：缺陷较多，表面积与体积之比很大， 本身有内应力。本身有内应力。薄膜的屈服强度：薄膜的屈服强度：bbifbiFfFKdKd y y块块材材的的屈屈服服强强度度（1 1+ +） 缺缺陷陷、杂杂质质对对位位错错的的钉钉扎扎增增强强表表面面效效应应增增强强常常数数，视视位位错错运运动动情情况况 薄薄膜膜厚厚度度 第第四四讲讲 第二章第二章 薄膜的力学性质薄膜的力学性质 薄膜的屈服强度比块材大，因为薄膜的表面效应，薄膜的屈服强度比块材大，因为薄膜的表面效应，如薄膜的表面积很大，抑制位错运动和消除位错源。如薄膜的表面积很大，抑制位错运动和消除位错

7、源。dd强度强度第第四四讲讲 第二章第二章 薄膜的力学性质薄膜的力学性质 2.6 2.6 机械强度的试验方法机械强度的试验方法 机机械械法法引引张张法法、膨膨胀胀法法、离离心心法法 超超声声法法、微微硬硬度度法法x x射射线线法法衍衍射射法法电电子子束束法法电电镜镜法法2.6.1 2.6.1 引张法引张法 采用微张力测试仪，观察样品在较轻负载下的很小采用微张力测试仪，观察样品在较轻负载下的很小伸长率。用灵敏的光学仪器测量伸长率伸长率。用灵敏的光学仪器测量伸长率0.5nm0.5nm）第第四四讲讲 第二章第二章 薄膜的力学性质薄膜的力学性质 2.6.2 2.6.2 膨胀法膨胀法# #样品制法：样品

8、制法： 将待测薄膜从基片上剥离下来安装在铜管上；将待测薄膜从基片上剥离下来安装在铜管上； 将待测薄膜淀积在塑料膜上，然后溶去塑料膜；将待测薄膜淀积在塑料膜上，然后溶去塑料膜； 在在NaClNaCl基片基片100100面上沉积薄膜如金膜），面上沉积薄膜如金膜）， 然后在薄膜质量最佳处，用喷水法对基片进行钻然后在薄膜质量最佳处，用喷水法对基片进行钻 孔，直到在孔底只剩下薄膜位置。孔，直到在孔底只剩下薄膜位置。# #用干涉图像法测量膨胀面曲率半径在起始态和膨胀用干涉图像法测量膨胀面曲率半径在起始态和膨胀态的变化，从而求出薄膜所受的应力与应变分别为：态的变化，从而求出薄膜所受的应力与应变分别为：第第四

9、四讲讲 第二章第二章 薄膜的力学性质薄膜的力学性质 222002022222242 32 1342() 13FFFFPRPaPdadd hhhhhPahEhEad hEhPaa 0 00 00 0应应力力：，薄薄膜膜单单位位面面积积上上的的压压差差，膜膜厚厚，铜铜管管半半径径（- -）应应变变：膨膨胀胀面面中中心心的的起起始始高高度度，压压差差为为 时时膨膨胀胀面面中中心心高高度度 若若起起始始高高度度为为零零，但但薄薄膜膜的的起起始始应应力力却却不不为为零零时时，则则薄薄膜膜的的弹弹性性模模量量 泊泊松松比比可可测测量量薄薄膜膜的的应应力力- -应应变变曲曲线线第第四四讲讲 第二章第二章 薄膜的力学性质薄膜的力学性质 2.6.3 离心法离心法该法可测量薄膜的附着力和抗张强度，但不能测量该法可测量薄膜的附着力和抗张强度，但不能测量应力应力-应变曲线。应变曲线。 转子由磁力悬浮在真空中，外加旋转磁场，使转转子由磁力悬浮在真空中，外加旋转磁场，使转子高速旋转，调节转子的转速，并测定其甩掉薄子高速旋转，调节转子的转速，并测定其甩掉薄