Bài thuyết trình Vật lý màng mỏng: Các phương pháp đo tính chất của màng cỏ

Chia sẻ: Lavie Lavie | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:24

Thêm vào BST

Báo xấu

157
lượt xem 7
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài thuyết trình Vật lý màng mỏng: Các phương pháp đo tính chất của màng cỏ đưa ra các phương pháp đo độ cứng, mô hình Luật hòa hợp thể tích, các phương pháp đo độ bám dính. Đây là tài liệu hữu ích với các bạn chuyên ngành Vật lý và những ngành có liên quan.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài thuyết trình Vật lý màng mỏng: Các phương pháp đo tính chất của màng cỏ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN BỘ MÔN VẬT LÝ ỨNG DỤNG VẬT LÝ MÀNG MỎNG GVTH: PGS. TS. LÊ VĂN HIẾU HVTH: PHAN TRUNG VĨNH
 Các tính chất điện  Độ gồ ghề (Roughness) (Electronic Properties)  Độ mài mòn (Erosion)  Các đặc tính ma sát  Độ hao mòn/Độ oxy hóa (Frictional Characteristics) (Corrosion/Oxidation)  Độ xốp (Porosity)  Sức căng còn dư  Đa lớp (Multilayers) (Residual Stress)  Các thành phần sắp xếp Màng (Coating)  Độ gắn kết (Cohesion) (Graded Composition)  Vết nứt/Sai hỏng  Độ bám dính (Adhesion) Lớp xen phủ màng-đế (Crackinh/Defect)  Tính chất quang Đế (Substrate)  Sự khuyếch tán qua lại  Độ bám dính (Adhesion) (Interdiffusion)  Các tính chất của đế Hình 1: Một vài tính chất  Các rào thế khuyếch tán (Substrate Properties) (Diffusion Barriers) quan trọng của hệ màng-đế  Độ giãn nở không đều  Độ sạch/Độ gồ ghề (Expansion Mismatch) trong các ứng dụng công (Cleanliness/Roughness) nghệ Độ cứng (Hardness) MÀNG CƠ Độ bám dính (Adhesion)
1. Các phương pháp đo độ cứng Sự biến dạng không đàn hồi Độ cứng Đ/N (Plastic Deformation) Tác nhân của vật liệu Tính bên ngoài chống Sự mài mòn Đ ộ dày lại Tùy thuộc Phương pháp đo trực tiếp màng Thang đo Phương pháp Rockwell Màng dày Phương pháp Brinell Macro (>10μm) Phương pháp Vickers Phương pháp Knoop Micro Phương pháp Mohs Màng mỏng (
Nguyên tắc chung của các phương pháp đo độ cứng của màng Indenter Lực ấn Lực đẩy Màng (Coating) Lớp xen phủ màng-đế Đế (Substrate)  Dùng 1 đầu khắc  Áp 1 lực tăng dần  Ngắt lực ấn (unload), (indenter) có thể điều lên đầu khắc (load), do tính đàn hồi của màng, khiển đặt tiếp xúc đầu khắc xuyên vào đầu khắc bị màng đẩy ra vuông góc với màng trong màng ngày với 1 lực nhất định. càng sâu Hình dạng đầu khắc, độ sâu vết khắc, lực ấn, lực đẩy đầu khắc  ĐỘ CỨNG CỦA MÀNG
Sơ đồ 1 hệ đo độ cứng màng (Hệ Nanoindenter)  Mẩu màng được đặt trên 1 cái bàn, bàn được điều khiển dịch chuyển theo phương x, y (bước dịch chuyển là 100nm) bằng máy tính  Đầu khắc (Indenter) được lắp vào một cần trục, trục này được điều khiển lên xuống nhờ hiệu ứng áp điện  Khi đầu khắc đâm vào màng, mọi di chuyển của đầu khắc đều được bộ cảm biến ghi nhận  Hệ thống được làm lạnh để tránh ảnh hưởng của nhiệt độ
Hình dạ dạng vế vết khắ khắc trên mà màng với indenter hì hình chó ch ó p tam giá giác  Đầu khắc (Indenter) là một khối kim cương có hình dạng nhất định  Tín hiệu cơ thể hiện dịch chuyển của đầu Sơ đồ hệ đo độ cứng màng Khắc được chuyển sang tín hiệu điện, đến máy tính xử lý (Hệ Nanoindenter)
Lực áp lên đầu khắc Độ sâu của đầu khắc (Indenter) trong màng  Đường màu đỏ: Áp lực lên đầu khắc. Độ xuyên sâu vào màng tăng dần theo lực áp.  Đường màu xanh: Ngắt áp lực lên đầu khắc. Đầu khắc bị đẩy ra ngoài (độ sâu giảm dần) với lực giảm dần
Đường biểu diễn áp lực-độ dịch chuyển Indenter của 3 mẩu màng phủ Cu nano trên đế Si tại 3 trạng thái kết tụ (agglomera -tion) khác nhau a) Kết tụ mạnh b) Kết tụ trung bình c) Kết tụ yếu  Nhận xét: Mẩu kết tụ mạnh thì đường biểu diễn càng dốc, tức áp lực đặt lên indenter tăng càng nhanh theo độ sâu vào trong mẫu, tức là màng càng cứng.  Kết luận: Vật liệu có đường biểu diễn Áp lực-độ dịch chuyển càng lệch về phía trái thì có độ cứng càng cao
Các phương pháp đo độ cứng của vật liệu PHƯƠNG PHÁP ROCKWELL E = 130 E = 100 1200 Indenter là quả cầu thép hay có dạng hình nón bằng kim cương (góc nón 1200), đường kính 0,2mm, được gọi là Brale. F0 d = d2 d0< d2 < d1 F0  Indenter được áp vào vật d = d0 liệu 1 lực nhỏ F0 = 10kgf*.  Ngắt lực lớn F1, vẫn giữ lực F0, độ xuyên sâu giảm F0  Khi đạt trạng thái cân bằng, d=0 độ đâm xuyên được set về 0. Độ cứng Rockwell: F0 F1 HR = E – e  Một lực lớn được áp vào E = const, tùy thuộc loại d = d1 indenter, độ đâm xuyên tăng indenter *kgf: kilogram-force; 1 kgf = 9,80665 Newton e = d2 – d0
 Độ cứng Rockwell không có đơn vị mà chia theo các thang đo A, B, C, D,... Thang đo càng cao, vật liệu càng cứng. Typical Application of Rockwell Hardness Scales HRA . . . . Cemented carbides, thin steel and shallow case hardened steel HRB . . . . Copper alloys, soft steels, aluminium alloys, malleable irons, etc. HRC . . . . Steel, hard cast irons, case hardened steel and other materials harder than 100 HRB HRD . . . . Thin steel and medium case hardened steel and pearlitic malleable iron HRE . . . . Cast iron, aluminium and magnesium alloys, bearing metals HRF . . . . Annealed copper alloys, thin soft sheet metals HRG . . . . Phosphor bronze, beryllium copper, malleable irons HRH . . . . Aluminium, zinc, lead HRK . . . . } HRL . . . . } HRM . . . .} . . . . Soft bearing metals, plastics and other very soft materials HRP . . . . } HRR . . . . } HRS . . . . } HRV . . . . }
PHƯƠNG PHÁP BRINELL D  Một quả cầu thép hay tungsten carbibe (D = 10mm) được ép vào bề mặt vật liệu một lực 500 – 3000kg (tùy F vật liệu) trong khoảng 30s.  Sau đó lấy quả cầu đi, đường kính R1 = D1/2 vết lõm trên vật liệu được đo bằng kính hiển vi Chỉ số độ cứng Brinell: Lực tác dụng F: lực tác dụng BHN = D: đường kính Sbề mặt vết lõm indenter 2F D1: đường kính BHN    vết lõm gây ra  D. D  D 2  D12 bởi indenter HBS 10/100: indenter bằng thép, D = 10mm, F = 100kg HBW: indenter bằng tungsten
PHƯƠNG PHÁP VICKERS  Indenter là mẩu kim cương hình kim tự tháp, góc 2 mặt đối diện là 1360. Indenter được áp vào vật liệu với lực từ 1 – 100 kg trong 10 giây.  Sau đó indenter được lấy ra, kích thước vết lõm trên vật liệu được đo bằng kính hiển vi. Chỉ số độ cứng Vickers Lực tác dụng F: lực tác dụng HV = A: diện tích vết Diện tích vết lõm lõm d2 d2 d: chiều dài trung A  bình của đường  136  1,854 0 2sin   chéo vết lõm  2  do indenter để F F 1,854F lại HV   2  xxxHVyyy: xxx là độ A d d2 cứng, HV là thang Vickers, yy là lực tác 1,854 dụng
Ảnh chụp SEM của vết lõm trên màng TiN dày 2μm phủ trên đế thép tinh khiết tạo bởi indenter Vickers tại các lực tác dụng khác nhau và độ xuyên sâu tương ứng Ảnh chụp SEM tiết diện của vết lõm tạo bởi indenter Vickers trong màng Molybdenum (Mo) đa tinh thể
PHƯƠNG PHÁP KNOOP  Tương tự như phương pháp Vickers, indenter là mẩu kim cương hình kim tự tháp có các góc 1360 và 172,50. Indenter được áp vào vật liệu với lực từ 1 – 100 kg trong 10 giây.  Sau đó indenter được lấy ra, kích thước vết lõm trên vật liệu được đo bằng kính hiển vi. Chỉ số độ cứng Knoop Lực tác dụng F: lực tác dụng HK = A: diện tích vết Diện tích vết lõm lõm l: chiều dài l2 A đường chéo 14, 229 lớn nhất của F F 14, 229F vết lõm do HK    indenter để lại A l2 l2 14, 229
PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH TÍNH MOHS  Phương pháp này lấy độ cứng của 10 loại khoáng vật khác nhau có trong tự nhiên để làm thang đo chuẩn. Trong đó, kim cương là cứng nhất và Talc là mềm nhất.  Cách xác định  Tìm 2 khoáng vật chuẩn liên tiếp trong thang Mohs  Lấy vật liệu cần đo cào lên bề mặt hai mẩu khoáng vật, khảo sát mẩu khoáng vật nào bị trầy  Độ cứng của vật liệu cần đo nằm ở giữa độ cứng của 2 khoáng vật.
Mô hình Luật hòa hợp thể tích (Volume Law-of-mixtures Model) Đối với màng mỏng, sự đóng góp của độ cứng của đế và độ cứng của lớp phân cách khi đo đạc càng lớn  Xây dựng mô hình để loại bỏ đóng góp của đế và lớp phân cách  Sargent, Burnett, Rickerby Ý tưởng chung Độ cứng đo được Mô hình Luật hòa hợp thể tích (màng & đế) (Volume Law-of-mixtures Model) Độ cứng của đế  Biểu thức liên hệ giữa độ cứng màng, đế và hệ màng-đế: Độ cứng của màng H  Hs  Vf Vs 3 Hc  H f   Hs V V f Trong đó: Hf là độ cứng của màng H  Hs  Vf 3 Vs Hc   H f  Hs f Hs là độ cứng của đế V V Hc là độ cứng của hệ màng đế
H  Hs  Vf Vs 3 Trong đó: Hc  H f   Hs f Hf là độ cứng của màng V V Hs là độ cứng của đế H  Hs  Vf 3 Vs Hc   H f  Hs f Hc là độ cứng của hệ màng đế V V Deforming Volume: Thể tích biến dạng V  V f   3Vs H f  H s  Vf là thể tích biến dạng của màng Vs là thể tích biến dạng của đế V   3V f  Vs H f  Hs  V là thể tích biến dạng toàn phần n n = 1/2 χ là thừa số thực nghiệm, được xác định:    E f H s  đến   1/3 Ef là ứng suất* của màng; Es là ứng suất của đế  Es H f  (TN) Ef E Ef Es  s  H f Hs Hf Hs Vf Vf Vs Vs * Ứng suất là nội lực tồn tại bên trong vật thể, xuất hiện khi vật thể bị biến dạng và có khuynh hướng chống lại sự biến dạng đó.
14μm TiN/Thép tinh khiết Đường cong nội suy thể hiện sự biến đổi độ cứng Sự biến đổi độ cứng của màng theo lực tác dụng lên indenter đối với màng Màng TiN phủ trên đế thép tinh khiết độ dày 14μm. Hệ Màng- Đế Đế Lực tác dụng lên indenter (g) 2μm TiN/Thép tinh khiết Đường cong nội suy thể hiện Sự biến đổi độ cứng sự biến đổi độ cứng của màng theo lực tác dụng lên indenter Màng đối với màng TiN phủ trên đế thép tinh khiết độ dày 2μm. Hệ Màng-Đế Đế
2. Các phương pháp đo độ bám dính Đ/N Độ bám dính Mức độ liên kết giữa 2 vật liệu (Adhesion) đo đạc Năng lượng cần thiết để phá vỡ liên kết giữa 2 vật liệu Giữa màng và đế Lực căng cần thiết để bóc màng ra khỏi đế Phương pháp vết lõm (Indentation Test) Phương pháp phổ biến đo độ bám dính màng-đế Phương pháp cào (Scratch Test)