7-1-薄膜的力学性质汇总

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第七章 薄膜的物理性质,力学性质,电学性质,光学性质,磁学性质,热学性质,7-1,薄膜的力学性质,薄膜的力学性质与其结构密切相关。,附着性质,应力性质,弹性性质,机械强度,取决于薄膜成长的初始阶段,取决于生长阶段及其结构类型,薄膜的力学性质,1,、薄膜的附着力,附着,：薄膜与基片保持接触，两者的原子相互受到对方的吸附作用的状态。,附着力、附着能,附着性能,控制着对其他性能的观察和研究。,理论上，关系到对结合界面的了解；,使用上，决定了薄膜元器件的稳定性和可靠性,1,、薄膜的附着力,宏观效应附着,简单附着,扩散附着,通过中间层附着,简单附着,两个接触面相互吸引形成，有清楚的分界面,扩散附着,两个接触面相互扩散或溶解形成渐变界面,两个接触面间形成化合物中间层，无单纯界面,机械锁合,双电层吸引,1,、薄膜的附着力,附着机理,吸附,物理吸附（吸附能,0.001,0.1eV,）,范德华力吸附：短程力，随原子间距离的增大，附着力减弱。,静电力吸附：数值虽小，但对附着力的贡献较大。,化学吸附,薄膜与基体间形成化学键结合（离子键、共价键、金属键），是短程力，数值上比范德华力大，约为,0.1,0.5eV.,1,、薄膜的附着力,附着机理,附着能：,s,s,:,基底比表面积自由能；,s,f,：薄膜比表面积自由能；,s,sf,：薄膜与基底界面自由能，与两种材料的种类、原 子间距、键合特征等有关,1,、薄膜的附着力,增加附着力的方法,清洗基片,提高基片温度,引入中间过渡层,采用溅射增加附着力,1,、薄膜的附着力,附着力的测试方法,粘胶法,:,薄膜与基片间的附着力必须小于薄膜与粘胶间的附着力,引拉法；剥离法,直接法,划痕法、摩擦法、离心法,难定量描述，结果只具定性意义！,利用黏结或焊接的方法将薄膜结合与拉伸棒的端面上，测量将,薄膜从衬底上拉伸下来所需的载荷,的大小。薄膜的附着力,等于拉伸时的临界载荷与被拉伸的薄膜面积之比,。,在用,黏结剂,时，其黏结强度决定了这一方法可测定的附着力的上限。,焊接,可增加界面的结合强度，但焊接过程可能会由于加热温度的影响而改变界面的组织和附着力。,引拉法,将硬度较高的划针垂直置于薄膜表面，施加载荷对,薄膜进行划伤试验,的方法来评价薄膜的附着力。,当划针前沿的剪切力超过薄膜的附着力时，薄膜将发生破坏与剥落。在划针移动的同时，逐渐加大所施加的载荷，并在显微镜下观察得出划开薄膜，露出衬底所需的,临界载荷,，即可作为薄膜附着力的量度。,当载荷一定时，薄膜剥离痕迹,的完整程度也依赖于薄膜的附,着力，因而也可根据,划痕边缘,的完整程度来比较薄膜附着力,的大小,。,划痕法,2,、薄膜的内应力,内应力的定义及分类,定义：薄膜内部单位面积的一侧受到另一侧施加的力，用,s,表示，单位,N/m,2,。,分类,按性质分类：张应力、压应力,按来源分类：热应力、本征力,2,、薄膜的内应力,张应力（,+,）：,截面一侧受到来自另一侧的拉伸方向的力。张应力过大会使薄膜开裂。,压应力（,-,）：,与张应力相反，受到推压方向的力。压应力过大会使薄膜起皱或脱落。,热应力,：,当薄膜的形成温度和测量或使用温度不同时，由于薄膜和基片的热胀系数不同而引起的内应力，是一种可逆的应力。,本征应力：,薄膜形成过程中由缺陷等原因而引起的内应力，热应力之外的全部应力。,几点讨论：,1,）从上式看出，要消除薄膜中的热应力，最根本的办法就是,选用热胀系数相同的薄膜和基片材料,。其次是让,成膜温度与薄膜的测量或使用温度相同。,2,）通常情况，,T,d,T,若薄膜的弹性常数与温度无关，薄膜和基片的热胀系数不随温度发生变化、为常数时，,薄膜的热应力随温度作线性,变化。,3,）当,a,f,a,s,时，热应力为正，即是为张应力。反之，热应力为负，即为压应力。因此，可通过,选择基片或者改变成膜温度,的办法来改变薄膜中热应力的性质和大小。,4,）对于,高熔点的金属薄膜及其他薄膜,，随着成膜温度的提高，,热应力,可能成为它内应力中的一个,主要部分,。对于,低熔点金属和结构高度有序的薄膜,，因为它们的,本征应力很小,，所以,热应力,能成为它们内应力中的,绝大部分,。,2,、薄膜的内应力,内应力的起因,热效应,相变,界面应力,:,晶格适配,杂质效应,此外薄膜的生长过程中由于小岛的合并、晶粒的合并、缺陷、微孔的扩散等会引起表面张力的变化，也会引起内应力的变化。,2,、薄膜的内应力,内应力的测量方法,机械法：测量基片受应力作用后弯曲的程度。,悬臂梁法、弯盘法,原理：,衍射法：测量薄膜晶格常数的畸变。,X,射线衍射,2,、薄膜的硬度,物质的硬度,：一种物质相对于另一物质的抗摩擦性或抗刻划性的能力。,硬度试验,：维氏硬度、库氏硬度、布氏硬度。,