薄膜材料廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體、涂層、能源存儲(chǔ)、醫(yī)療設(shè)備和光伏等領(lǐng)域,其性能與可靠性高度依賴于界面結(jié)合強(qiáng)度。傳統(tǒng)測(cè)量方法如剝離實(shí)驗(yàn)與微劃痕測(cè)試往往受限于測(cè)試工況設(shè)置和材料特性,難以實(shí)現(xiàn)界面結(jié)合能的定量表征。為此,來(lái)自牛津大學(xué)的Shatha博士等采用納米壓痕與納米劃痕兩種方法,系統(tǒng)研究了硅基底上不同厚度鎢涂層的界面剝離行為,并通過(guò)有限元模擬對(duì)能量計(jì)算進(jìn)行校正,為實(shí)現(xiàn)界面能的定量評(píng)估提供了新思路與方法支撐。
本文在硅基底上通過(guò)磁控濺射制備的不同厚度(1.5 μm與1.9 μm)的鎢涂層,并進(jìn)行納米壓痕與劃痕測(cè)試。納米壓痕測(cè)試使用Berkovich壓頭,在50-400 mN的低載區(qū)間和100-1000 mN的高載區(qū)間分別進(jìn)行壓痕實(shí)驗(yàn),并設(shè)置了52、104和260 mN/s三種加載速率以研究應(yīng)變率的影響。納米劃痕測(cè)試同樣使用Berkovich壓頭,分別以“邊緣向前"與“面向前"兩種方向,在0–70 mN線性法向載荷下進(jìn)行劃痕實(shí)驗(yàn),劃痕長(zhǎng)度設(shè)定為250 μm,時(shí)間為30秒。

圖1 不同厚度薄膜(左:1.5 µm,右:1.9 µm)的三種壓痕破壞階段SEM圖像:(a-b)塑性變形;(c-d)界面分離;(e-f)涂層碎裂

圖2 不同厚度薄膜(左:1.5 µm,右:1.9 µm)的壓痕力-位移曲線:(a-b)低載荷;(c-d)高載荷

圖3 不同厚度薄膜(上:1.5 µm,下:1.9 µm)不可逆功(Wirr)隨法向載荷的變化
通過(guò)掃描電鏡對(duì)壓痕形貌進(jìn)行觀察,發(fā)現(xiàn)鎢-硅薄膜在壓痕過(guò)程中呈現(xiàn)出典型的三階段破壞行為:初始階段為塑性變形與表面徑向裂紋的產(chǎn)生(圖1(a-b));隨著載荷增加,進(jìn)入界面剝離階段,形成環(huán)形鼓包(圖1(c-d));最終階段發(fā)生薄膜碎裂(圖1(e-f))。對(duì)應(yīng)的載荷-位移曲線顯示,低載條件下曲線較為平滑,而高載條件下則出現(xiàn)明顯突變,對(duì)應(yīng)薄膜的碎裂過(guò)程(圖2)。為量化界面剝離能,研究采用Malzbender能量分析法,線性外推各階段的不可逆功(Wirr),將總Wirr分解為塑性功(Wp)、剝離功(Wd)與碎裂功(Wf)。然而,傳統(tǒng)線性外推法錯(cuò)誤地假設(shè)塑性功隨載荷始終保持線性增長(zhǎng),忽略了壓痕深度增加時(shí)軟質(zhì)襯底的塑性變形貢獻(xiàn)。隨著壓入深度的增大,基底塑性耗散的能量被錯(cuò)誤計(jì)入界面剝離功,導(dǎo)致剝離能被顯著高估。為避免該誤差,文章開展了界面不發(fā)生剝離的有限元模擬,對(duì)薄膜系統(tǒng)的塑性功進(jìn)行校正,有效排除了襯底變形的干擾(圖4)。除此之外,通過(guò)比較不同加載速率下納米壓痕測(cè)試結(jié)果,可以發(fā)現(xiàn)壓痕力-位移曲線與壓痕形貌基本保持一致,且剝離能測(cè)定結(jié)果差異較?。ū?)。

圖4 FEM(界面不分離)修正后第一、二階段的Wd

圖5 不同厚度薄膜(上:1.5 µm,下:1.9 µm)的納米劃痕測(cè)試結(jié)果:(a)表面形貌SEM圖像;(b)法向載荷與摩擦系數(shù)隨時(shí)間的變化
在納米劃痕測(cè)試中,涂層在達(dá)到臨界載荷時(shí)發(fā)生突然碎裂,并伴隨摩擦系數(shù)的突變(圖5)。研究采用Laugier模型將臨界載荷轉(zhuǎn)換為界面結(jié)合強(qiáng)度,并基于彈性力學(xué)中應(yīng)變能釋放率基本理論,計(jì)算剝離能。結(jié)果表明,劃痕測(cè)試所得到的剝離能受測(cè)試參數(shù)影響顯著:法向載荷與劃痕長(zhǎng)度比值(dL/dx)升高會(huì)帶來(lái)臨界載荷的增大與剝離能的降低(表2);“邊緣向前"的壓頭方向相較于“面向前"會(huì)測(cè)得更高的臨界載荷與剝離能(表3)。盡管劃痕法可用于不同樣品間的對(duì)比研究,但其結(jié)果因包含薄膜斷裂能量而普遍高于納米壓痕結(jié)果,且對(duì)測(cè)試條件極為敏感,因此在定量評(píng)估中存在一定局限。
表1 不同加載速率下納米壓痕測(cè)定剝離能的變化

表2 不同劃痕參數(shù)下納米劃痕測(cè)定剝離能的變化

表3 不同刮頭角度下納米劃痕測(cè)定剝離能的變化

綜合比較兩種方法,納米壓痕結(jié)合有限元校正能夠提供穩(wěn)定、定量的界面能數(shù)據(jù),且對(duì)加載速率不敏感,表現(xiàn)出良好的可靠性;而納米劃痕雖能有效模擬實(shí)際摩擦工況,但因能量成分復(fù)雜、參數(shù)依賴性強(qiáng),更適合作為定性或半定量的研究工具。在此基礎(chǔ)上,可進(jìn)一步針對(duì)韌性透明涂層(如PC)開展研究,結(jié)合原位觀測(cè)與載荷曲線,區(qū)分界面剝離與涂層本體斷裂過(guò)程,以提高臨界載荷識(shí)別的準(zhǔn)確性,得到較為準(zhǔn)確的界面剝離能。
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