тонкопленочный материал широко используется в полупроводниках, покрытиях, хранении энергии, медицинском оборудовании и фотовольтаике и других областях, его производительность и надежность сильно зависят от прочности интерфейса. Традиционные методы измерения, такие как эксперименты по отслаиванию и испытания микроцарапин, часто ограничиваются настройкой тестовых условий и характеристиками материала, что затрудняет количественное представление энергии соединения интерфейса. С этой целью д - р Шата из Оксфордского университета и другие, используя как нано - царапины, так и нано - царапины, систематически изучали поведение отслаивания интерфейса вольфрамового покрытия различной толщины на кремниевой основе и корректировали расчеты энергии с помощью моделирования конечных элементов, предлагая новые идеи и методологическую поддержку для количественной оценки энергии интерфейса.

Эта статья представляет собой вольфрамовое покрытие различной толщины (1,5 мкм и 1,9 мкм), подготовленное с помощью магнитного распыления на кремниевой основе, и проверяется на нано - царапины и царапины. Для испытания наночастиц использовался напор Берковича, эксперименты с надавливанием проводились в диапазоне низкой нагрузки 50 - 400 мН и диапазоне высокой нагрузки 100 - 1000 мН, соответственно, и были установлены три скорости загрузки 52, 104 и 260 мН / с для изучения влияния деформации. В тестах на наноцарапины также используется напор Берковича, который экспериментирует с царапинами в двух направлениях: « Вперед по краям» и « Вперед», соответственно, при линейной нагрузке 0 - 70 мН, длина царапины установлена на уровне 250 мкм, время 30 секунд.

Рисунок 1 Пленки различной толщины (слева: 1,5 мкм, справа: 1,9 мкм) Три фазы разрушения царапин SEM изображения: (a - b) пластическая деформация; (c - d) разделение интерфейса; (e - f) Разрыв покрытия

Рисунок 2 Сила царапин - кривая смещения пленок различной толщины (слева: 1,5 мкм, справа: 1,9 мкм): (a - b) низкая нагрузка; (c - d) Высокая нагрузка

Рисунок 3 Пленки различной толщины (выше: 1,5 мкм, ниже: 1,9 мкм) Необратимая работа (Wirr) изменяется с нормальной нагрузкой

Наблюдение за морфологией царапин с помощью сканирующих зеркал показало, что вольфрамово - кремниевая пленка демонстрирует типичное трехэтапное разрушение в процессе царапин: начальным этапом является пластическая деформация и образование радиальных поверхностных трещин (рисунок 1 (a - b)); По мере увеличения нагрузки, входя в фазу отслаивания интерфейса, образуется кольцевой барабанный пакет (рис. 1 (c - d)); На заключительном этапе происходит фрагментация пленки (рис. 1 (e - f)). Соответствующая кривая нагрузки - смещения показывает, что кривая при низкой нагрузке более гладкая, в то время как при высокой нагрузке наблюдается заметная мутация, соответствующая процессу разрушения пленки (рис. 2). Для количественной оценки энергии отслаивания интерфейса исследование использует энергетический анализ Malzbender, необратимую работу (Wirr) на различных этапах линейной экстраполяции, которая разлагает общий Wirr на пластическую работу (Wp), работу отслаивания (Wd) и работу разрушения (Wf). Однако традиционная линейная экстраполяция ошибочно предполагает, что пластическая работа продолжает линейно расти с нагрузкой, игнорируя вклад пластической деформации мягкой подложки при увеличении глубины царапин. По мере увеличения глубины давления энергия пластического рассеяния фундамента ошибочно включается в работу отслаивания интерфейса, что приводит к значительному завышению энергии отслоения. Чтобы избежать этой ошибки, в статье проводится моделирование конечных элементов интерфейса без отслаивания, коррекция пластической работы тонкопленочной системы, эффективно исключающая помехи деформации подложки (рисунок 4). Кроме того, сравнивая результаты испытаний на нано - царапины при различных скоростях загрузки, можно обнаружить, что кривая силы царапины - смещения в основном соответствует морфологии царапины, а результаты измерений энергии отслаивания менее различны (таблица 1).

Рисунок 4 FEM (интерфейс не разделен) Измененный Wd первого и второго этапов

Рисунок 5 Результаты испытаний наноцарапин на пленках различной толщины (выше: 1,5 мкм, ниже: 1,9 мкм): (a) SEM - изображения поверхностной формы; b) Изменение во времени нормальной нагрузки и коэффициента трения

При испытаниях на наноцарапины при достижении критической нагрузки происходит внезапное разрушение покрытия, сопровождаемое мутацией коэффициента трения (рисунок 5). Исследование использует модель Лаугье для преобразования критических нагрузок в прочность интерфейса и основано на упругой механикекоэффициент высвобождения энергии деформацииОсновная теория, вычисление энергии отслоения. Результаты показали, что способность к отслаиванию, полученная при испытании на царапину, значительно зависит от параметров испытания: увеличение отношения нормальной нагрузки к длине царапины (dL / dx) приводит к увеличению критической нагрузки и снижению энергии отслаивания (таблица 2); Направление напора "края вперед" измеряет более высокую критическую нагрузку и энергию отсоединения по сравнению с направлением "направления вперед" (таблица 3). Хотя метод царапин может быть использован для сравнительного исследования различных продуктов, его результаты, как правило, выше, чем результаты нано - царапин, поскольку они содержат энергию разрушения пленки и чрезвычайно чувствительны к условиям испытаний, и поэтому имеют определенные ограничения в количественной оценке.

Таблица 1

Таблица 2

Таблица 3

Комплексное сравнение двух методов, нано - царапины в сочетании с коррекцией конечных элементов может обеспечить стабильные, количественные данные о энергии интерфейса и не чувствительны к скорости загрузки, демонстрируя хорошую надежность; Хотя наноцарапины могут эффективно имитировать фактические условия трения, но из - за сложного энергетического состава, сильной зависимости от параметров, более подходят в качестве качественного или полуколичественного исследовательского инструмента. Исходя из этого, дальнейшие исследования могут быть проведены для вязких прозрачных покрытий (например, ПК), в сочетании с наблюдениями на месте и кривыми нагрузки, чтобы отличить процесс отслаивания интерфейса от процесса разрушения тела покрытия, чтобы повысить точность распознавания критической нагрузки и получить более точную энергию отслаивания интерфейса.