薄膜材料的组织结构 ppt课件.ppt

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1、薄膜中的应力首先，薄膜与基底常属于不同的材料；其次，薄膜的沉积过程往往又要在较高的温度、非平衡的条件下进行。因此，薄膜材料的一个特殊问题是薄膜中普遍存在的应力薄膜应力的分布一般来说是不均匀的。但由于薄膜应力问题的复杂性，薄膜应力多是指薄膜在断面上的应力的平均值薄膜中总存在应力。它被称为内应力或残余应力，其数值随材料、制备技术的不同而不同，甚至可达100-10000kg/mm2(0.1-10GPa)数量级应力造成薄膜破坏的情况(a)拉应力(b)压应力Imageofatelephonecordbuckleonafilm.Aftercuttingthef

2、ilm,thebucklegeometryandthediscontinuityrevealfilmstressrelaxation.应力造成薄膜破坏的一个实例薄膜中存在应力的一个最直接的结果是其在薄膜中要引起相应的应变，因而可以用多种方法对其进行测量（例如用X-射线衍射的方法）最直观的薄膜应力测量方法是由测量薄膜的曲率变化计算薄膜中应力的方法，即应用定量描述薄膜应力-形变关系的斯通利（Stoney）方程（1909）薄膜中应力的测量Stony方程的三点基本假设：Stony方程的推导方法：描述薄膜中应力的Stony方程薄膜的厚度远远小于衬底的厚度，d

3、f<

4、测量得到薄膜弯曲的曲率半径，即可根据材料特性和薄膜厚度，计算得出薄膜中的应力f——薄膜s——衬底E——弹性模量d——厚度——泊松比r——曲率半径薄膜应力的激光动态监测法薄膜的曲率可用光学的方法很方便地予以监测；用监测沉积过程中薄膜对激光束的反射角变化的方法，可实现对薄膜应力的动态监测薄膜应力产生的原因很复杂，但通常可被视为它是以下两类应力之和：这两类应力是薄膜应力的构成热应力th：由于薄膜与衬底材料热膨胀系数的差别和温度的变化共同引起的应力生长应力in：由于薄膜生长过程的不平衡性或薄膜所特有的微观结构所导致的应力，又被称为内秉应力（或本征应力）

5、薄膜与衬底一般属于不同的材料，它们的线膨胀系数一般总存在差别薄膜的沉积过程一般又是在比较高的温度下进行的。因而，若在薄膜沉积后有温度的变化，则薄膜与衬底两者将有不同的热涨冷缩倾向由于薄膜与衬底在界面处相互制约，因而薄膜与衬底中将各自产生应变，并诱发应力这部分由薄膜与衬底材料线膨胀系数不同和温度变化共同引起的薄膜应力被称为热应力薄膜中的热应力由上述的定义，即可求出薄膜中形成的热应力若衬底的厚度远大于薄膜的厚度，则衬底应变可被忽略。此时，热应力造成的应变为薄膜中热应力的计算由此，热应力的计算公式为f——薄膜s——衬底——线膨胀系数T——温度——泊松比

6、E——弹性模量温度变化、薄膜-衬底热膨胀系数的差别是薄膜热应力产生的原因。因而，只要薄膜与衬底的材料不同，且在薄膜制备以后存在温度的变化，热应力就是不可避免的。并且，薄膜-衬底系统的任何温度变化都会产生热应力薄膜与衬底材料性质的差别越大，沉积温度与使用温度差别越大，则热应力也越大，并可能因此导致薄膜的破坏例如，在1000C对钢表面进行TiC涂层后，涂层内会在降温过程中产生压应力，其数值约为=160kg/mm2薄膜中的热应力薄膜中的生长应力——其起源薄膜的生长应力：由于薄膜生长过程、其微观结构的非平衡性所导致出现的薄膜应力薄膜材料的沉积过程涉及到

7、各种非平衡的过程：它们都造成薄膜材料的组织状态偏离平衡态，并因此在薄膜中留下应力。由此也可以理解，薄膜应力的分布也应是不均匀的较低的薄膜沉积温度高能粒子的轰击气体和杂质原子的混入大量缺陷和孔洞的存在亚稳相、甚至非晶态相的形成薄膜组织的不断演变等在实验中，尚不能测量薄膜中的生长应力，即不能依靠实验将薄膜的生长应力直接测量出来通常，薄膜中生长应力需采用如下的方法确定：薄膜中的生长应力——其计算根据薄膜和衬底的热膨胀系数、薄膜的沉积温度和最终温度计算求出热应力再根据公式从实验测出的总应力中减去热应力的部分，即得出薄膜的生长应力薄膜中生长应力的起源生长应力

8、的产生与薄膜的沉积过程有关，其机制十分复杂。按其作用机理，薄膜生长应力的影响因素常被归纳为以下三个类别：化学成分方面的原因