微纳米尺度金属薄膜拉伸分叉问题的研究

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1、微纳米尺度金属薄膜拉伸分叉问题的研究InvestigationontheBifurcationProblemofMicro-nanoScaleMetallicFilmunderTension学科专业：固体力学研究生：张冠华指导教师：王世斌教授天津大学机械工程学院二零一三年十二月独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得天津大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表

2、示了谢意。学位论文作者签名：签字日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解天津大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权天津大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名：导师签名：签字日期：年月日签字日期：年月日摘要微纳米尺度金属薄膜在电子信息、能源、生物、医疗等研究领域中得到了广泛的应用。薄膜在工作过程中常常要承受拉伸载荷，当载荷达到某一值时，薄膜结构会在某一微小载荷增量下发生失

3、稳型分叉，随后薄膜会出现损伤和破坏。由于薄膜的分叉将直接影响到元器件的性能和寿命，因此研究薄膜拉伸分叉行为极为重要。为此本文利用电阻特性对微纳米尺度金属薄膜的拉伸分叉问题展开研究。本文利用金属薄膜拉伸时电阻变化的特点，对薄膜在拉伸变形过程中电阻的变化进行理论分析，得到弹性变形阶段和均匀塑性变形阶段以及局部化阶段电阻变化与应变之间的关系。自主设计电阻变化测量系统和薄膜/基底结构拉伸加载装置，实现对薄膜/基底结构在高精度下进行原位拉伸加载，并实时测量金属薄膜电阻变化的信息，加载过程中可通过高倍光学显微镜实时观测金属薄膜表面的形貌及变化过程。本文研究了聚酰亚胺基底上铜薄膜在拉

4、伸载荷作用下的变形分叉及破坏过程。研究发现，铜薄膜拉伸分叉的位置并不是单一的，可能存在多处同时发生分叉，薄膜表面微裂纹的出现呈周期性分布，且各裂纹之间基本保持平行，其方向垂直于拉伸加载方向。利用电阻变化测量系统测量拉伸加载过程中铜薄膜的电阻变化情况，得到薄膜电阻随应变变化的关系，与理论推导的结果进行对比分析，确定铜薄膜的拉伸分叉点。研究表明，沉积于聚酰亚胺基底上的微纳米尺度铜薄膜在单轴拉伸作用下，经过弹性变形阶段后，很快就发生分叉，然后产生破坏，而塑性变形阶段和局部化阶段较短；在弹性变形阶段铜薄膜的电阻变化速率很小，均匀塑性变形阶段稍有增大，而当薄膜表面开始出现微裂纹后

5、，电阻变化的速率急剧增大。通过改变拉伸加载速率，研究不同加载速率对拉伸分叉的影响。研究结果表明，薄膜/基底结构的初始电阻对金属薄膜拉伸分叉的影响较大，且一定范围内拉伸速率的增加对金属薄膜的拉伸分叉具有促进作用。关键词：微纳米薄膜电阻电测法金属薄膜分叉电阻ABSTRACTMicro-nanoscalemetallicfilmhasbeenwidelyusedintheelectronicinformation,energy,biological,medicalandotherfields.Thinfilmintheprocessofworkoftensubjecttens

6、ileload.Whentheloadreachesacertainvalue,membranestructurebifurcatesinstabilityunderasmallincrement.Thenthefilmwillappearmicro-crackandrupture.Duetothebifurcationonthemembranewilldirectlyaffectthereliabilityandservicelifeofthecomponents,soitisveryimportanttodeterminethebifurcationpointofm

7、icro-nanoscalemetallicfilmanddoresearchonthisproblem.Themainpurposeofthispaperistostudyonthebifurcationproblemofmicro-nanoscalemetallicfilmundertensionbyusingelectricalresistanceproperty.Atheoreticalanalysisofresistanceisgivenbasedonthetransformationofthinfilmundertension