薄膜弹性性能和膜厚对其弹性模量的影响

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1、万方数据第38卷第5期稀有金属材料与工程"C01．38，No．52009年5月RAREMETALMATERIALSANDENGINEERINGMay2009薄膜弹性性能和膜厚对其弹性模量的影响弓满锋1，一，乔生儒1，张程煜1，姬浩1(1．西北工业大学，陕西西安710072)(2．湛江师范学院，广东湛江524048)摘要：基于应变协调理论模型推导出薄膜弹性模量和泊松比表达式，对普通拉伸试验法进行了改进，即采用分区不同膜厚拉伸法分别研究了氧化铝薄膜／铝合金基体系统和氮化钛薄膜／高速钢基体系统上不同厚度薄膜的弹性模量和泊松比。结果表明：该方法可有效地减少薄膜制备、拉伸试验中偶然因素以

2、及基体材料等对所测薄膜弹性性能的影响。通过不同厚度薄膜弹性模量的对比，可知2种体系薄膜的弹性模量随膜厚的增加而提高。分析认为薄膜内应力的状态、大小以及在薄膜厚度方向的重新分配等因素对薄膜弹性模量有很大影响。关键词：拉伸法；薄膜：弹性模量；泊松比；厚度中图法分类号：TGll5；0484文献标识码：A文章编号：1002-185X(2009)05．0876．05薄膜材料广泛应用于机械Ill、微电子系统(MEMS)E21、光学【3】和医疗【4】等领域。在基体材料上制备有效的薄膜有利于延长零部件的使用寿命，改善材料的硬度、耐磨性和摩擦性能，增强材料耐腐蚀和抗氧化性能，对需要防护的基体材料

3、提供有效的热障层以及降低机器的维修成本和产品的制造成本等[5．6】。弹性性能是薄膜最主要的性能评价指标，薄膜材料的本征特性(如成分、化学键)和微结构(如晶体结构、晶粒大小、取向和微缺陷等)无疑是其弹性性能的决定性因素。然而，基体材料的性质、薄膜的厚度以及薄膜内应力状态的改变等结构性因素亦对薄膜的弹性性能有不可忽视的影响【J卜91。这种影响虽然在理论上已经得到了普遍认可，但对其程度仍缺乏准确可靠的实验依据。主要原因在于微米量级的膜厚，薄膜种类繁多且性质各异以及薄膜／基体界面相互作用的复杂性使得薄膜弹性性能的测量相当困难，测量结果的分散度也很大。例如，对TiN薄膜弹性模量的报道值就

4、分散在106～640GPa的很宽范围间00,lq，从而给评价各种薄膜弹性性能、优化材料设计、提高材料寿命以及进行强度计算带来很大的困难。鉴于此，对薄膜弹性性能测试方法和影响因素的进一步研究以及提供各种薄膜准确的弹性模量和泊松比等值就显得尤为重要。目前，较为常用的评价薄膜弹性性能的方法有：弯曲法【12】、压入法【13】、拉伸法㈣和相对法【15】等。其中因拉伸法相对更简单、直观和准确，所以它的应用也更为广泛。本研究采用拉伸法进行薄膜弹性性能测试，但是考虑到薄膜弹性模量和泊松比的不易测定性，提出一种改进的拉伸法，即采用分区不同膜厚拉伸法，通过测定2种不同厚度薄膜载荷和应变数据，得到薄

5、膜弹性模量和泊松比，分析了膜厚对其弹性性能的影响规律。选取同一试样不同区域进行应变测试，是为了消除不同厚度薄膜制备工艺条件变化对测试结果的影响。因为选择同一试样上不同厚度的区域进行应变测试，能够保证所研究的薄膜是同种工艺条件下制备的，并且能够保证所有试样参照的I区膜厚相同，也能够有效地减少拉伸实验过程中偶然误差的影响，比如加载条件和载荷波动的影响。同时，有效避免因为基体材料的差异对薄膜弹性模量测试结果的影响，更重要的是可以通过一次实验获取尽可能多的对比实验研究数据，从而节省时间和提高工作效率。1理论基础1．1薄膜弹性模量如图l所示，考虑一个基于应变协调的理论模型，设薄膜和基体处

6、于理想结合，薄膜和基体应变相互协调。试样标距(I『)为60mm，被均分为3个区，即I区、收稿日期：2008．06-10基金项目：国家自然科学基金资助项目(50772089)；教育部长江学者和创新团队发展计划基金资助；高等学校学科创新引智计划资助(808040)作者简介：弓满锋，男，1973年生，博士生，西北工业大学，陕西西安710072，电话：029．88474107；通讯作者：乔生儒。教授，电话：029．88462084万方数据第5期弓满锋等：薄膜弹性性能和膜厚对其弹性模量的影响·877·II区和III区，每个区长度(3伪为20衄，试样宽度(f)为10衄。基体厚度用2H表示，

7、在I区和III区上制备双面薄膜，厚度分别为hl和h2，II区无薄膜。当试样受单轴拉伸时，应用材料力学截面法并由轴力平衡关系可得下列方程：P二EoP譬0+2k占：吒-(1)EI=。·占。1·只¨7lP=E。·占。In·只+2E。。2·F。In·只。2式中：8为应变，E为弹性模量，P为轴力，F为横截面积，且Fo=2Hxt，R。l-^1×f，R02=^2xt。上标I、II和111分别表示I区、II区和III区，下标O、col和c02分别表示基体、I区薄膜和III区薄膜的相关物理量。因为各区总z向轴