![]() |
Главная Случайная страница Контакты | Мы поможем в написании вашей работы! | |
|
1. Палатник Л.С. Механизм образования и субструктура конденсированных пленок / Л.С. Палатник, М.Я. Фукс, В.М.Косевич.- М.: Наука, 1972.- 319 с.
2. Проценко І.Ю. Технологія одержання і застосування плівкових матеріалів: навч. посібник / І.Ю.Проценко, Н.І. Шумакова. – Суми: Вид-во СумДУ, 2008. – 198 с.
Лабораторна робота 3
ДОСЛІДЖЕННЯ МЕХАНІЧНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ МЕТАЛЕВИХ ПЛІВОК (СТРУКТУРНІ ТА
ТЕРМІЧНІ МАКРОНАПРУЖЕННЯ)
Мета роботи – одержати залежність величини структурних макронапружень від товщини металевої плівки; оцінити внесок макронапружень термічного походження в загальну величину макронапружень.
Елементи теорії
1. Загальна інформація. У вакуумних конденсатах у процесі їх одержання, обробки та збереження виникають внутрішні макроскопічні напруження S, які можуть бути стискаючі (від’ємні «-») та розтягувальні (додатні «+»). В окремих випадках вони досягають величини межі міцності плівки, що призводить до її руйнування у вигляді розтріскування або відділення від підкладки. Із експериментальних результатів відомо, що зі збільшенням температури підкладки (Тп) розтягувальні напруження зменшуються, досягають нульового значення і стають стискаючими (рис.1). Виникнення стискаючих напружень при високих Тп пояснюється окисненням плівки. Напруження в плівці вважаються додатними, якщо підкладка згинається таким чином, що довжина плівки зменшується, і від’ємними, якщо довжина збільшується. Для нормальних Тп (300-600 К) типові величини S становлять 107 – 109 Н/м2 (Па), причому в плівках тугоплавких металів (Cr, Mo, W, Nb, Ta) величина S близька до верхньої межі, а в легкоплавких (In, Pb, Sn, Cu, Ag, Al) – до нижньої межі.
2. Причина виникнення макронапружень у плівках Макронапруження в плівкових зразках складаються із зворотної частини термічного походження, обумовленої різними температурними коефіцієнтами лінійного розширення плівки (α) та підкладки (αп), та незворотної, яка
Рисунок 1 – Залежність S в плівках міді від температури Тп
виникає при утворенні та анігіляції структурних дефектів.
На думку деяких авторів, основний внесок у загальну величину S дають термічні макронапруження (Sт), а, на думку інших, структурні (Sс) незалежно від того, яку частку складають Sт чи Sс, можна записати
Sc = S – Sт. (1)
Дослідження свідчать також про те, що додатні макронапруження у плівках обумовлені наявністю на межах зерен аморфної або нанокристалічної фази.
3. Вплив товщини плівки, швидкості конденсації та термообробки. Напруження в конденсатах не виникають до того часу, поки плівка не станє структурно-суцільною (при товщині d 10 нм). Вимірювання на плівках Cu, Ag та Au показують, що при зростанні товщини від 100 до 200 нм макронапруження різко зростають, а потім стабілізуються. Відомі також результати, згідно з якими збільшення товщини плівки при високих Тп призводить до розтріскування плівки під дією структурних макронапружень.
Питання про вплив швидкості конденсації на величину S є найменш вивченим. Однак існують дані, згідно з якими збільшення
викликає збільшення додатних напружень. Так, наприклад, при збільшенні швидкості конденсації плівок міді в два рази (Тп
300 К) величина S також зростає у два рази.
Термообробка (відпалювання) плівок знімає рівень макронапружень структурного походження. За Гоффманом існує критична температура відпалювання (), яка задовольняє такі умови: Тп і Тв < Тв – величина S знижується; Тп і Тв > Тв – величина S зростає. Температура Тв тим вища, чим вища температура плавлення масивного металу.
4. Обчислення величини Sт. Якщо плівку конденсують на підігріту підкладку, що відрізняються, коефіцієнтом α, то після охолодження до кімнатної температури в плівці виникають макронапруження термічного походження, величина і знак яких залежать від співвідношення між αп та α. Виникає пружна деформація і термічні макронапруження
:
,
, (2)
де Е і - модуль Юнга та коефіцієнт Пуасона для плівки;
Т – різниця температур Тп-Т (Т – температура, при якій обчислюється величина
).
5. Методи вимірювання S. Макронапруження в конденсованих плівках часто визначають механічним способом, коли вивчається деформація підкладки в процесі осадження плівки. Найчастіше використовують один із варіантів цього способу – метод Стонні, в якому вимірюється зміщення () вільного кінця консольно закріпленої вузької підкладки (рис. 2).
За умови, що d << h, а < h, величина S обчислюється за формулою
, (3)
де Е – модуль Юнга для плівки, який береться таким, як у масивних зразках.
Зміщення можна вимірювати за допомогою оптичного мікроскопа або контактометра.
На даний момент розроблені більш досконалі методи вимірювання зміщення кінця підкладки: за допомогою електромагніта, який повертає підкладку у вихідне положення; вимірювання зміни ємності конденсатора або індуктивності котушки; за допомогою інтерферометра та ін.
Методичні вказівки. Для вимірювання загальної величини макронапружень найкраще скористатися методикою Стоні (рис. 2). За підкладку можна взяти склотекстоліт, а за матеріал плівки – хром, кобальт, мідь чи нікель. У таблиці 1 наведені необхідні дані для розрахунків товщини плівки, величини загальних та термічного
Рисунок 2 – Схема деформації підкладки консольного типу
походження макронапружень.
Для побудови залежності S = S(d) необхідно зняти залежність зміщення від часу конденсації плівки, а потім розрахувати величину S (співвідношення (3)) та товщину плівки згідно з методикою, яка описана в лабораторній роботі 5. У міру збільшення товщини величина S буде зменшуватися, прямуючи до асимптотичного значення S∞ ~ ~109 Н/м2 (S∞ - величина S при d→∞). Наприклад, у плівках хрому S виходить на насичення, починаючи із d =50 нм.
Для знаходження необхідно заміряти термопарою температуру підкладки в кінці конденсації плівки і скористатися співвідношенням (2).
Дата публикования: 2015-09-18; Прочитано: 339 | Нарушение авторского права страницы | Мы поможем в написании вашей работы!