（机械制造及其自动化专业论文）基于原子力显微镜（afm）的纳米硬度测试技术.pdf

氅玺鎏三些銮兰三兰翟圭兰竺鲨兰 摘要 近年来，纳米技术研究中各种材料的纳米特性研究受到广泛重视，在对 各种材料特别是薄膜材料进行的纳米特性研究中，测量与表征其表面纳米硬 度成为国内外研究热点之一。 原子力显微镜( a f m ) 其能够提供原子级的成像分辨率，实现纳米级的 定位和压痕以及施加很小的载荷，以测定材料表面微小区域的局部力学性能 时，而具有其他压痕仪器所无法比拟的优势。 本文基于原子力显微镜结合三维微动工作台以及金刚石针尖建立测试系 统并编制控制软件，对几种薄膜材料进行纳米压痕硬度的测试研究。首先， 解决基于a f m 本身的压痕软件进行纳米硬度测量时只能得到力曲线而无法 直接得到载荷压深曲线的问题：其次，把a f m 和p i 三维精密工作台结合 在一起，通过r s 2 3 2 串口控制工作台的x 、y 方向移动，解决了由于a f m 扫描陶管扫描范围的限制进行点阵压痕实验的范围有限的问题。最后，用美 国h y s i t r o n 公司的纳米原位测量仪( t r i b o l n d e n t e r ) 对部分实验结果进行验证 实验，同时进行误差分析。 通过对几种典型材料进行纳米压痕实验并分析证明，基于a f m 建立的 系统可以实现材料的纳米级硬度测量，通过进行点阵压痕实验能够直接得到 载荷一压深曲线及材料接体的三维形貌图和三维纳米硬度图。不但测量精度 高于传统方法，而且实现了对材料表面形貌和表面硬度的三维映像测量和表 征。 关键词原子力显微镜 纳米硬度；纳米压痕；薄膜材料 堕玺鎏王訾查兰三兰罂圭兰竺薹兰 一 a b s t r a c t r e c e n t l y , g r e a ta t t e n t i o nh a sb e e np a i do ns t u d y i n gt h en a n o - c h a r a c t e r i s t i c o fv a r i o u sm a t e r i a l si nt h ef i e l do fn a n o t e c h n o l o g i e s w i t hr e g a r dt ot h et h i nf i l m m a t e r i a l ，t h em e a s u r e m e n ta n dc h a r a c t e r i z a t i o no f i t ss u r f a c en a n o h a r d n e s si so n e d fi t sm a i nt h e r u e s a t o m i cf o r c em i c r o s c o p e ( a f m ) c o a lo f f e ra t o m i cs c a l ei m a g i n ga n dr e a l i z e l l a n o s c a l ep o s i t i o n i n ga sw e l la p p l yv e r yl o wl o a df o r c et om e a s u r et h el o c a l m e c h a n i cf e a t u r e so nt h es u r f a c e ，t h e r e f o r ea f mh a sa d v a n t a g e so v e rt h eo t h e r r e l e v a n tt e c h n i q u e s i nt h i st h e s i s ，am e a s u r e m e n ts y s t e mi n t e g r a t i n gt h ea f m e q u i p p e db y d i a m o n dt i p 研t lt h et h r e e d i m e n s i o n a lp r e c i s i o ns t a g ew a sd e v e l o p e d b yu s i n g t h ep r o g r a m m e dc o n t r o ls o f t w a r et h em e a s u r e m e n tw a sc a r r i e do u to ns e v e r a l t h i nf i l mm a t e r i a l si nt e r m so fn a n o h a r d n e s s f i r s t l y , l ep r o b l e mo fn o tb e i n g a b l et oo b t a i nt h el o a d d i s p l a c e m e n tc h i v eb yt h eo r i g i n a la f m ( o n l y t h ef o r c e c u r v ec a nb eo b t a i n e d ) w a ss o l v e d s e c o n d l y , t h r o u 曲t h ei n t e g r a t i o no fa f ma n d 3 - d p r e c i s i o ns t a g ea n d t h e r e a f t e rm o v e m e n t si nxa n dyd i r e c t i o nc o n t r o l l e db y r s 2 3 2s e r i a lp o r ti n t e r f a c e ，t h ep r o b l e mo fl i m i t e da r r a yi n d e n t i n gr a n g ed u et o t h es m a l la f mt u b es c a n n i n gr a n g ew a ss o l v e da sw e l l f i n a l l y , t h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t sw e r ev e r i f i e dw i t ha c o m p a r i s o n t ot h a to b t a i n e d b yh y s i t r o n t r i b o l n d e n t e r a d d i t i o n a l l y , t h ee r r o ra n a l y s i sw a s a l s oc o n d u c t e d t h r o u g h t h en a n o i n d e n t a t i o nt e s ta n da n a l y s i so ns e v e r a lt y p i c a lm a t e r i a l s ，i t p r o v e s t h a tt h e d e v e l o p e da f m b a s e d n a n o i n d e n t a t i o n s y s t e m c a nr e a l i z e i n d e n t a t i o nm e a s u r e m e n to nt 1 1 i nf i l mm a t e r i a l a tn a r l os c a l e t h el c a d d i s p l a c e m e n tc u y v e ，t h e 3 - dt o p o g r a p h ya sw e l la st h e3 - dn a n o i n d e n t a t i o n h a r d n e s sd i a g r a mc a nb ed i r e c t l yo b t a i n e db ym e a n so fa r r a yi n d e n t a t i o nm e t h o d i nc o n c l u s i o n ，t h ed e v e l o p e ds y s t e mi sn o to n l yf e a s i b l ea n do f h i g h e ra c c u r a c y t h a nc o n v e n t i o n a la p p r o a c h e s ，b u ta l s oa b l et or e a l i z e3 - dm a p p i n g so fs u r f a c e t o p o g r a p h ya n d h a r d n e s sa tn a n os c a l e k e y w o r d s a t o m i cf o r c em i c r o s c o p e ，n a n o h a r d n e s s ，n a n o i n d e n t a t i o n ，t h i nf i l m m a t e r i a l h 兰奎鎏三兰盔兰三兰篓圭兰竺兰兰 1 。1 课题背景 第1 章绪论 近年来，随着超精密加工、微电子的迅速发展和纳米技术的出现，人们越 来越多的关注薄膜材料在纳米尺度下的特性。由于薄膜材料的力学性能不同于 相同组成元素的块状材料，而且力学性能又直接影响到可靠性和性能，因此精 确的测量薄膜材料的力学性能越来越受到人们的关注。性能分析离不开先进的 检测技术和设备，由于薄膜的厚度已过渡到微纳尺度，传统的材料力学性能 测试设备和技术在载荷和位移的测量精度、测试验品制备等诸多方面远远不能 满足要求。 纳米压痕法不仅能够施加微小的压痕载荷，而且操作较拉伸试验方便、试 件制备也很简单，因此通常使用纳米压痕技术来测定薄膜材料的力学性能。在 纳米压痕试验中，最易获得的两个力学性质是材料的弹性模量和硬度，其中硬 度测试是评价材料机械特性及其他性能的最直接和有效的途径，所以用纳米压 痕法进行硬度测量已成为分析薄膜材料力学性能的最为理想的检测手段。近年 来，国内外研究人员以纳米压痕技术为基础，开发出多种纳米硬度仪，并实现 了商品化，为材料的纳米力学性能检测提供了高效、便捷的手段。扫描探针显 微术( s c a n n i n gp r o b em i c r o s c o p y ，简称s p m ) ，以其固有的超高空间分辨能力、 实时监控和测量髓力在该领域中取得了令人瞩目的进展。特别是原子力显徽术 ( a t o m i cf o r c em i c r o s c o p y ，简称a r m ) 的发展，可在微，纳米尺度上成像的同时 获得探针与样品相互作用的数据，无疑为此类测量研究提供了更加有效的手 段。 本课题的主要目的是基于原子力显微镜组建测试系统，用纳米压痕法测量 一些薄膜材料的纳米级硬度，并与其它测量硬度的方法进行比较。该系统的建 立，解决两个大问题：首先，通过基于a r m 组建系统和编程做单点实验，解 决a f m 本身的压痕软件进行纳米硬度测量时只能得到力曲线而无法直接得到 载荷压深曲线的问题；其次，把a f m 和德国p i 公司的微动工作台结合在一 起解决由于受到a f m 扫描陶管扫描范围的限制，用a f m , 自身系统进行点阵 压痕实验的范围有限的问题。通过做点阵压痕试验，在得到载荷压深醢线的 同时我们还能够得到试件的整体的三维形貌图和三维硬度图，有利于获褥试件 兰奎鎏三些盔兰王兰兰圭兰堡鲨兰 更全面更具体的信息。因此本课题对纳米测量技术的拓展以及a f m 的应用研 究具有定的指导意义和重要的实际意义。 1 2 微硬度测试技术的研究现状 硬度是评价材料力学性能的种简单、无损、高效的手段，已有近百年的 应异j 历史。关于硬度的定义，目前尚未统一。从作用方式上，可定义为“某一 物体抵抗另一物体产生变形能力的度量”：从变形机理上，可定义为“抵抗弹 性变形、塑性变形和破坏的能力”或“材料抵抗残余变形和破坏的能力”。硬 度测试方法有十多种，为了比较各种固体材料的软硬，人们定出多种不同的硬 度标准及其测量方法，归纳起来基本上可分为静载荷压入法( 如布氏、维氏、 洛氏硬度) ；动载荷压入法( 如肖氏、锤击式布氏硬度) ；划入法三类l l “。在常 用的静载荷压入硬度测试中，以一特定力将一个球或金刚石圆锥体压头压入试 件，通过所施加的力与压痕面积之间的关系得到硬度值。根据测量范围，静载 荷硬度铡试又可归类为宏观硬度( 如布氏、维氏、洛氏硬度) 、显微硬度、纳米 压痕硬度。目前，有关压入测试的国际标准i s o1 4 5 7 7 1 6 根据施加载荷p 和压 入深度h 的范围分成：宏观硬度，2 n 蔓p 3 0 斟；显微硬度，p 0 2 l | m ；纳米硬度，h 0 2 p m 。根据测量的硬度范围不同，相应的压痕方法 也不同，主要分为：传统压痕法和纳米压痕法。宏观硬度和显微硬度的测量都 是用传统的压痕方法，纳米硬度的测量采用的是纳米压痕法。不同静载荷硬度 的载荷范围如图1 1 所示1 ”。 纳米压痕硬度 微硬度传统硬度 5 0 n n2 4 5 m n5 0 0 r a n 2 nl o n 图1 静载荷硬度测试中力的范围 f i g t ll o a dr a n g e 证s t a t i c t t a r 4 a e s s 钯s t 宏观硬度测试如布氏、洛氏、维氏硬度试验等，方法直接、装置简单，但 分辨率较低和压痕尺寸较大。显微硬度测量和宏观硬度的测量方法一样，都是 将一特定形状和尺寸的压头在一垂直压力下将其压八被测试件，当压力撤除 后，通过测量压痕的截面面积，可以得到被测试件的硬度。但不同的是其负荷 小、压痕浅，压痕只能在显微镜下观察才能得到压痕面积，因此显微硬度测试 喧釜鎏三些盔耋三兰鳘圭兰竺鲨兰 技术得到广泛的应用，其测试方法也得到不断的进步和发展。主要方法有维氏 微硬度、努氏微硬度和k e n tg r o d z i n s k i 微硬度等。 1 2 1 维氏微硬度h v 其基本原理是用一个相对夹角为1 3 6 。的正四棱锥金刚石压头，在给定试验 力的作用下压入试件表面，经规定保持时间后，卸除试验力，用显微镜测量压 痕表面积，维氏硬度值是试验力与压痕表面积之比。 维氏微硬度的压痕对角线或直径为1 0 1 0 0 0 p m ，压痕深度为1 1 0 0 m ， 旌加的载荷为1 0 1 2 0 0 n ，可低于0 2 5 n 。主要应用于表面层和薄至1 j a m 的样 品。 1 2 2 努氏微硬度脶( 其基本原理与布氏硬度和维氏硬度的测试方法基本相似，不同的是其金剐 石压头形状为四棱锥，这个四棱锥的一对角面的夹角近似为1 7 2 5 。，另对角 面的夹角近似为1 3 0 。压痕的长度近似为宽度的7 倍，深度的3 0 倍，根据这 个已知的尺寸关系我们只需用显徼镜测量压痕的最长边的长度即可得到压痕的 表面积。测试中的试验力小于维氏显微硬度的试验力，一般为2 - - 4 0 n ，可低于 o 0 1 n ，压入深度为o 3 3 0 9 m 。适用于测量脆性材料( 如玻璃和陶瓷等) 、碳 化物和非金属材料等的薄表面。 在相同压痕深度的情况下，努普压痕的对角线较长，测量容易，所以测量 精度相对提高了。在相同试验力的作用下，努普压痕的深度大约是维氏压痕深 度的一半，这样来就比较适合测量薄层材料。一般情况下，在硬度测试中当 卸除试验力后压痕要收缩甚至变形，弹性恢复后压痕的变形程度主要依靠材料 的物理特性和压头的形状。努普压头的设计目的就是为了让弹性恢复发生在较 短的对角线上，在长对角线的方向上来降低测量误差。 1 2 3k e n t g r o d z i n s k i 微硬度 一般在测量高硬度材料时，金刚石压头经常因为应力集中而产生裂纹或碎 裂。玩为了解决这个问题，其压头设计为由两个同轴的金刚石圆锥组成，如 果在 受0 试中压头被损坏，金刚石圆锥能以一定角度旋转然后继续工作。h d 的 压痕形状像一个柳树叶，长度是宽度的2 2 倍，是深度的8 0 倍。 堕奎鎏三些奎兰三兰鎏圭兰垒鲨銮 与其他微硬度测试相比， d 压头的长度与深度的比值最大，所以其对材 料的损坏最小压痕深度最浅，较适合测量薄层和高硬度的材料；由于乒，d 压头 形状不遵循相似原理，所以对于不同的试验力测量不同的硬度没有直接关系。 1 。3 纳米硬度测试技术的研究现状 随着微机械技术的发展，试样尺寸越来越小型化，尤其是一些薄膜材料的 厚度已经过渡到微，纳尺度，传统的压痕硬度测量方法由于难以提供小的载荷 和难以精确测量残余压痕的尺寸，已不能满足微纳米技术的要求。因此，通过 测量压入深度计算接触投影面积的纳米压痕法或称深度敏感压瘦法就应运丽生 了。纳米压痕法即显微力学探针检测法，是用金刚石针尖以极小的力在试件表 面压出纳米级或微米级压痕，并测试针尖在加载和卸载过程中的压力和压入深 度的关系，通过压痕深度和针尖的形状计算压痕面积从而计算材料的硬度。 1 9 6 1 年，s t i l l w e u 和t a b o r 8 提出利用压入的弹性恢复测定力学性能的方法。而 现代利用载荷一卸载部分测量接触面积的处理方法可能开始于b u l y c h e v 等人f 9 】 在1 9 7 5 年的工作。1 9 8 1 年p e t h i c a l l 0 首次将这种技术用于材料的力学性能测量 中。1 9 8 4 年l o u b e t 等人i 】使用这种方法进行l n 量级载荷的测试，】9 8 6 年 d o e m e r 和n i x | 1 2 j 将载荷测量拓宽到n a n 量级。1 9 9 2 年o l i v e r 和p h a r t t l 3 1 在 d o e m e r 和n i x 工作的基础之上完善了压入测量原理，奠定了纳米压入测量技 术的基础，这是目前最为广泛应用的分析方法。这项技术的流行不仅在于它提 供了较高的位移分辨率及压痕深度可以小到纳米级，还在于试样制作上的简单 化。无论是均质性材料的表面层还是积沉于基体上的超薄层镀膜，相应力学测 试的难题，通过这项技术都可以解决。与传统的压瘦方法相比，纳米压痕技术 通过计算机控制对试验连续加载，并实时监测位移值，它不需要可观测的压 痕，由获得的典型载荷一压深曲线并根据已知的压后几何形状来测量硬度。纳 米压痕法测量硬度不仅能手寻到材料的塑性性质，还能得到弹性性质，且精度很 高。可以说，从宏观压痕到纳米压痕，不但体现了检测技术上的大突破，也预 示了检测原理方面的全新化，所以国内外都在纳米压痕技术上倾注了很大的注 意力，不断地对测量仪器进行改进并开拓新的研究领域。 以前的传统硬度计和显微硬度计是通过测量压痕对角线来换算成压痕面积 的。如果通过测量压痕深度进行换算，就可避免小载荷压入时压痕对角线测量 的诸多困难，这就是研制纳米压入仪的最初设想。目前的纳米硬度测试仪器， 其最大优点是将压痕对角线的测量转化为压头位移的测量，无需光学观察，测 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 _ - _ - _ _ _ - - _ l _ _ l _ _ - l _ _ - _ _ - _ _ l _ _ _ _ - _ _ i i|_ 量分辨率可以达到很高，用计算机自动采样也可避免人为的观察误差。另外， 其加载力是连续的，可以给出整个压入过程的载荷- 压深曲线，通过研究压入 曲线可以获得整体材料表层微米甚至纳米深度以内以及薄膜材料的硬度，弹性 模量，塑性系数等力学性能参数，而且还扩大了材料种类的测量范围，具有广 阔的应用前景。已有多家公司能制造出基于深度测量的高分辨力的纳米压入测 量仪，而且还发展了大载荷量程的显微压入测量仪，1 9 9 7 年，哈尔滨工业大学 的博士生高鹏研制了显微力学探针检测装置，对均质型材料表层和复合型材料 表层进行了力学检测实验研究4 j ；基于扫描探针显微镜的接触共振技术已用予 测量样品表面的接触刚度、存储模量和损失模量等。迄今为止，纳米尺度下的 力学试验一般使用纳米压痕仪( n a a o i n d e n t e r 和t d b o i n d e n t e r ) 和s p m ( 主要是 a f m ) 等。 1 3 1 基于纳米压痕仪的测试现状 很久以来测量纳米硬度主要用显微力学探针检测装置即纳米压痕仪，其通 过连续记录载荷和压入深度，从而获得材料的硬度和弹性模量。这种技术能从 载荷一压深曲线中直接获锝接触匿积，把人们从寻找压痕位置和测量残余面积 的繁琐劳动中解放出来，并可以大大地减小误差，适合于微纳米尺度压入深 度的测量。现在用来测量纳米硬度的纳米压痕仪主要有美国m t s 公司的n a n o i n d e n t e r 和美国h y s i t r o n 公司的t r i b o i n d e n t e r 。 l 扣( 1 ) n a n oi n d e n t e rn a n oi n d e n t e r 是最早研制的压入测量仪器，1 9 8 3 年 n a n o n s l r b m e n t s 公司在美国田纳西州成立并开始研发n a n oi n d e n t e r ，1 9 9 0 年 生产了n a n oi n d e n t e r i i ，被m t s 公司收购后又推出了第三代产品n a n o i n d e n t e rx p 。该仪器采用电磁力驱动，电磁线圈和压杆牢固连接，并由悬浮弹 簧支撑。通过计量作用在电磁线圈上的电信号可换算出载荷大小。位移由差动 电容式传感器测量。该仪器由很多组件构成，为纳米压痕实验的标准组 件。垂直方向的驱动靠刚性杆上的载流线圈在磁场中受力来推动压针运动；力 的大小通过改变电流强度来计量。位移测量是通过计量平板电容上电容的变 化。适用于常见的各种材料，压痕深度一般为1 0 乙1 0 3 n m 。d c m ( d y n a m i c c o n t a c tm o d u l e ) 为该系统的可选组件，工作原理与x p 相似，可以看成一个低载 荷的纳米压痕装置，适于研究超薄膜、聚合物的动态特性、软材料如软组织。 它能满足聚合物需要的动态范围和超薄膜需要的精度。可用原子力显微镜观察 纳米尺度的压痕形貌。压痕深度一般为】o 吒1 0 2 n m 。 堕奎鎏三些查兰三耋璺圭兰兰兰兰 k 于1 2 ) 纳米原位测量仪t r i b o l n d e n t e r 美国h y s i t r o n 公司成立于美国明尼苏达 州，是一家专门致力于原位纳米力学测试设计、生产和销售的公司。原位纳米 力学测试系统主要分为t r i b o i n d e n t e r 型，u b i l 型和t r i b o s c o p e 型3 种型号， t r i b o l n d e n t e r 是低载荷原位纳米力学测试系统，可以进行压入和划入测试【l “。 该系统施加的最小载荷可以达到小于1 0 0 n n 的超低载荷，分辨率达到l n n 并 且做到真正的原位扫描成像。三板电容式传感器是集驱动、载荷和位移测量为 一体的特殊传感器，通过该传感器实现静电力激励加载，同时测量位移。这种 小型传感器可以直接固定在压电型三维扫描器上，实现三维高精度的压针定位 和原位成像。其工作原理与接触式原予力显微镜类似，即用探针对样品进行扫 描成像。其显著特点是：快速原位成像，无需装卸样品后更换测针，数秒钟内 便可以找到所需扫描的压痕或划痕区域：扫描范围大，水平扫描范围 6 0 6 0 “m ，垂直扫描范围3 “m 。特别适合：对复合材料，可先原位成像，然 后再迅速准确的对某处或界面进行压痕，用于评价各相及其界面的力学特性。 1 3 2 基于a f m 的测试现状 自从1 9 8 6 年g tb i n n i n g 1 e l 发明了a f m 以来，a f m 就逐渐被采用作为一 种纳米压痕仪器，纳米压痕是s p m 生产商开发出的又一新功能。把一个金刚 石针尖镶嵌在有金属衬底的微悬臂上，压入某一表面并且可以对压痕立即进行 成像，这种实时的成像能力使人们不再需要移动样品、更换针尖或者用另外一 个不同的仪器对其成像。因为压痕只涉及到微悬臂的介入，所以进行宽范围弹 性系数的材料压痕试验可通过更换微悬臂获得。 日本学者k i y o n o f l ”等人提出了将原子力显微镜和显徽力学探针检测集成 在一起，这样不但可以在纳米尺度上对材料表层进行性能分析，还可对测试后 的纳米形貌进行实时成像。在这方面早期的研究通常使用研究者自制的专门用 于压痕的a f m 系统，近几年研究者倾向于使用商用a f m 系统和探针，因为 商用的a f m 系统能够提供较高的成像分辨率，而且a f m 制造商也已经提供 了在压痕模式和敲击成像模式之间的来回切换的功能1 1 8 。利用a f m 金刚石针 尖可以对局部的机械性质进行钡4 定，由于a f m 可以把金刚石针尖作为压头准 确地定位于所感兴趣的区域，而用传统的压痕测量仪对被加工区域进行机械性 质的测量与分析是非常困难的。利用a f m 进行纳米压痕实验，能够实现纳米 级的定位和压痕以及达z r 4 , 于1 n 的初始载荷，尤其对于各种厚度小于1 睢m 的薄膜材料或需要测定材料表面某一特定微小区域的局部力学性能时，a f m 堕釜鎏三些銮兰三兰鎏圭兰鲁鲨兰 具有其他压痕仪器所无法比拟的优点，正因为如此，直接应用a f m 进行纳米 压痕的研究成为许多研究者关注的热点。 较多的工作是采用a f m 对金属、半导体等硬质薄膜的纳米压痕测量。典 型的如b h a r a tb h u s h a n 等人特制了超硬的金刚石探针，采用a f m 对硅片、磁 盘表面的纳米压痕硬度进行测量【l ”。基于a f m ，a l b e r e c h tl w e i s e n h o m 和 h a n s - j u r g e nb u t t 等人采用不同形状的针尖对橡胶、软骨、细胞等一系列样品 的力光信号偏转性质进行了测量，给出了锥形、抛物形、平底针尖形的力、 光信号偏转与杨氏模量间的关系式 2 0 1 。m r v a n l a n d i n g h a m 等人采用a f m 对 p d m s 、孙心d a 、p s 、p c 、l h m w p e 等聚合物薄膜的硬度、塑性及弹性模量 进行的测量研究，讨论了探针横向移动、扫描迟滞等对测量的影响，认为此种 测量方法对聚合物体系十分有效【2 l j 。 在1 9 9 4 年美国俄亥俄州大学的b b h u s h a n 和vn 。k o i n k a r l l 9 培a f m 测 量了单晶硅材料，压痕深度只有l n m ，在当时这个深度远远小于其它纳米压痕 实验中的压痕深度。2 0 0 0 年加利福尼亚大学的gw m a r s h a l lj r i 珥等人也利用 a f m 测量了牙质材料( d e j ) 的机械特性，因为这种材料很容易碎裂，需要施加 很小的试验力，a f m 是最好的选择。2 0 0 1 年日本学者l s a ok o j i m a t 2 珂也通过 a f m 探针在碳氦薄膜上施加不同的力得到了不同的压痕深度，同时和其它材 料进彳亍比较，通过对力曲线进行分析，得出碳氮薄膜的硬度与载荷和压痕深度 的关系。2 0 0 4 年北科大的华文申等和中科院物理研究所的沈殿宏等人用a f m 研究了t i c x n i a i 合成物交界面的纳米硬度和弹性模量1 2 4 l 。近几年我国很多大 学和研究所也通过a f m 进行纳米压痕实验测量材料的纳米级硬度和弹性模量 近而得到材料的其它力学性能，但大多数都是单点压痕测量，且只能得到力曲 线而无法直接得到载荷深度曲线。 在上述各种不同的纳米硬度测量仪器中，n a n o i n d e n t e r 测量精度为：力约 7 5 n n 、深度分辨约0 0 4 n m ：a f m 则为：力约5 0 n n 、位移约为0 0 2 n m ： t r b o i n d e n t e r ：载荷分辨力小于l n n 、位移分辨力o 0 0 0 2 n m f l s j 。可以看出 t r i b o i n d e n t e r 各方面都比较好，但是其价格也是最昂贵的，作为专门的材料力 学性能的分析工具很难广泛使用。而a f m 相对于普通的纳米压痕仪和以前的 硬度计来讲测量精度、分辨率等很多方面都具有很大的优越性。因此基于 a f m 进行纳米硬度测量是一种很有前途的方法，a f m 也将成为这一领域较为 广泛的使用工具。 兰釜鎏三兰查兰三兰鎏圭兰竺兰三 1 4 本课题研究内容 1 基于a f m 的纳米硬度钡4 量系统的建立采用微动工作台结合a f m 自 身系统和金刚石针尖建立纳米硬度测量系统，研究a f m 系统参数的优化设 计，并研制驱动金刚石针尖和三维工作台的控制软件和画图软件； 2 实验方法的理论研究在分析纳米压痕法的理论基础之上，研究基于 a f m 建立的测量系统的实验原理及测量方法； 3 薄膜材料的实验研究用新建立的系统对单晶薄膜材料进行单点纳米 压痕测量，通过得到的载荷压痕曲线进行力学性能分析，研究尺寸效应和基 体材料对纳米硬度及弹性模量的影响。同时，在相同条件下用美国h y s i t r o n 公 司的t r i b o i n d e n t e r 进行验证实验，证明该系统进行纳米硬度测量的可行性。选 择多种材料进行点阵压痕实验，用m a t l a b 对采集到的数据进行处理，得到 三维形貌阁和三维硬度图； 4 重复性糟度分析和影响因素分析对单晶铝进行1 0 组重复性实验，计 算系统的重复性精度。同时，对影响该系统测量精度的因素进行定性或者定量 的分析，并采取适当的措掩进行修正和补偿。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 第2 章基于a f m 的纳米硬度测试系统设计 2 1 引言 一直以来，基于a f m 本身的压痕软件进行纳米硬度测量，只能直接得到 力曲线【2 5 1 ，如图2 。1 所示，而力曲线必须转化成载荷压深曲线才能用于其他 力学性能的分析，并且受制于a f m 扫描陶管的扫描范围，用a f m 自身系统 进行点阵压痕实验的范围受到限制，同时由于扫描陶管存在漂移和滞后现象， 很难达到实验所要求的精度和效果。 因此，为了解决上述问题，把舢和微动工作台结合在一起，外加控制 信号，驱动金刚石针尖z 向移动和微动工作台x 、y 向移动，并对加载和卸载 的全过程进行实时的数据采集，直接绘出载荷压深曲线，这样在a f m 探针进 行压点的过程中伴随着工作台的x 、y 方向移动，即能得到载荷压深曲线又 能加工出实验者要求的点阵来，得到材料的面硬度。同时，在分析了纳米压痕 法的测量原理基础之上，研究用本系统进行纳米硬度测量的方法。 2 2 系统构成 图2 - 1a f m 纳米压痕实验力曲线 f i g 2a f m f o r c ec l u v ei nn a n o i n d c n t a t i o n 该系统主要是由原子力显微镜、三维微动工作台和用于串口通讯的台式 p c 机组成。进行三维纳米压痕硬度测量过程中，整个测试系统的工作大体分 为两个部分：( 1 ) 压点时由安装a d 卡的p c 机、s a m 口、控制箱、扫描陶管 兰釜鎏三些銮兰三兰2 圭耋g 鲨吝 一 p z t 、针尖、p s d 检测器组成一个闭环回路。通过p c 机经a f m 外带的s a m 口向a f m 控制箱发送控制命令，主要是设定p s d 偏转电压值，经闭环控制系 统进而控制p z t 带动探针z 向移动，完成加载和卸载全过程的同时进行实时 的数据采集并直接绘出载荷压深曲线；( 2 ) 压点的同时，由p c 机通过r s 2 3 2 串口控制微动工作台x 、y 方向移动，这样在a f v l 探针完成压点的过程后伴 随着工作台的移动，即能得到载荷压深曲线又能加工出实验者要求的点阵。 纳米硬度测试系统原理如图2 - 2 所示。 r 一i 赢蕊爵i 石一； l 一一主控制让冀规： 图2 2 纳米硬度测试系统原理图 f i g 1 s c h e m a t i cd i a g r a mo f n a n o h a r d n e s sm e a s u r i n gs y s t e m 2 2 1a f m 工作原理 a f m 主要由扫描探针、电子控制系统、计算机控制及软件系统、步进电 机和自动逼近控制电路构成。它是使用一个一端固定而另一端装有针尖的弹性 微悬臂来检测样品表面形貌和其他表面性质的。工作时，半导体激光器发出激 光束，经透镜汇聚打到探针头部，并反射进入四象限p s d 位置检测器中，转 化为电信号后，由前置放大器放大后送给反馈电路，反馈电路发出的一部分信 堕玺釜三些查兰三兰璺圭兰竺兰三 号进入计算机，再由计算机将数字信号转化为模拟信号，经高压放大后驱动压 电陶瓷扫描陶管在二维平面扫描。当针尖在样品上扫描时，针尖和样品问的作 用力引起徼悬臂的变形，从而导致了反射激光束在检测器中的位置发生改变。 检测器中不同象限间所接收到的激光强度代表悬臂形变量的大小，在反馈电路 的作用下，微悬臂形变量通过压电陶瓷扫描陶管在z 方向上伸缩进行补偿。 a f m 有三种工作模式：接触模式( c o n t a c tm o d e ) 、非接触模式( n o n - c o n t a c t m o d e ) 和轻敲模式( t a p p i n gm o d e ) 2 5 1 ，纳米压痕硬度测量采用的是接触模式。 2 2 2s a m ( s i g n a la c c e s sm o d u l e ) t 作原理 s a m 是d i 公司为s p m 仪器的用户能够更好地扩展s p m 的信号控制而提 供的输入输出端口。这个连接器上提供士1 5 v d c 、士5 v d c 和一个r s 2 3 2 九针 的插头，在其背面设有两个d 3 7 连接1 ：3 用来与显微镜和n a n os c o p e 控制箱相 连。正常情况下，s a m 连接在控制箱和显微镜之间，如果用到e x t e n d e r t m 模 块，s a m 应连接在e x t e n d e r 和控制箱之间。 通过s a m 能够得到2 5 种独立的s p m 信号。使用者可以通过其界面上的 转换开关在一种正常无干扰的模式下与外部输入信号进行转换，输出b n c 连 接器能够保证实验的输出信号无干扰。信号连接器大体可分为三种：向n a n o s c o p e 控制箱输入低压信号( 数字信号) ；从n a n os c o p e 控制箱输出低压信号f 控 制信号) ；从n a n os c o p e 控制箱输出高压信号( 压电驱动信号) 。当向s a m 口输 入信号时，外部仪器的输出阻抗要小于等于1l q ，从s a m 口接收信号的仪 器应该保证输入阻抗大于等于lm q 。 2 2 3 三维微动工作台工作原理 采用p i 公司生产的高精度的三维微动工作台，其x 、y 和z 向移动范围 分别为1 0 0 1 1 m ，1 0 0 9 m ，2 0 9 m ，x 、y 向重复性精度为5 n m ，z 向重复性精 度为2 r i m 。 该工作台控制箱由压电陶瓷驱动( p z t ) 放大器模块、伺服控制模块和显示 接口模块组成。可以选择不同模块实现不同功能。实验中选用电容传感器伺服 控制模块、三通道低压压电陶瓷驱动放大器模块和含有i e e e 4 8 8 及r s - 2 3 2 接 口的显示模块。p z t 可通过面板上的电位器或外部信号来控制，本实验采用外 部信号控制。电容传感器对压电陶瓷驱动器进行位置伺服控制，保证工作台的 运动精度。显示面板在线显示p z t 的位置和输出电压，i e e e 4 8 8 和r s 2 3 2 串 兰釜鎏三些銮兰三兰鎏圭兰釜鎏兰 口用来接收外部计算机发送的标准的s c p i 命令语言对工作台运动进行在线控 制。因此，在测量程序开始前，电容传感器伺服控制模块上所有伺服开关均应 设置为o f f ，可以直接在面板上设置，也可以通过控制软件控制，显示接口 模块的通讯方式在面板上选择，在线离线模式由软件触发。此三维工作台的 灵活性提供了应用上的多种选择，同时也保证了系统的测量精度。 2 3 系统测试原理与方法 和传统的硬度试验中根据直接测量压痕几何尺寸计算力学性能不同，纳米 压痕必须通过经验公式推算出接触面积，进而计算出材料的纳米硬度和弹性模 量等力学性能。所以要想测量材料的纳米硬度必须从载荷压深曲线数据中准 确的得到弹性接触刚度和接触面积。本系统进行纳米硬度测量，主要是通过改 变s e t p o i n t 值来改变针尖的负载以达到压痕的目的，从直接得到的卸载曲线进 行最小二乘法拟合得到接触刚度进而计算纳米硬度和弹性模量的。 2 3 1 纳米压痕法的基本原理 纳米压痕法的理论基础可以追溯到1 9 世纪末h e r t z 建立的弹性接触理 论。1 9 4 8 年t a b o r 最早做了利用载荷一压深曲线测定材料性能的试验，经过不 断的发展和研究，1 9 9 2 年o l i v e r 和p h a r r 在d o e m e r 和n i x 工作的基础上完善 了纳米压痕法的测试原理【 j 。图2 3 是典型的纳米压痕过程的载荷- 压深曲 线。图中m 是完全卸载后的残余压痕深度；h 。是压痕过程的最大压深；尸。 是最大载荷；s 是卸载曲线顶部的斜率，物理意义为系统接触刚度；是卸载 曲线顶部切线和横轴的交点，物理意义为压痕有效接触深度。在加载过程中纯 弹性材料和纯塑性材料的载荷都与压头压深的平方成正比。因此，弹塑性材 料加载过程中的载荷p ( h n ) 与隧头压深_ ，( u m ) 的平方成正比，这样加载过程中 的载荷与压痕的关系是一条近似抛物线的曲线。在卸载过程中，产生塑性变形 的部分将成为永久变形不再恢复，而弹性变形部分将会弹性恢复，这样卸载过 程中载荷与压深的关系也是一条近似抛物线的曲线。 图2 - 4 是被测试件表面受压前后的压痕示意图。在加载的任意时刻，压痕 深度h 可认为是有效接触深度h 。与h 。之和，皿为压头与被测试件接触时周边 村料表面的位移量。在达到最大载荷时，载荷和压深分别为p 。和h 。，接触 半径为口。卸载后材料的弹性恢复较大，最终的压痕深度为h f ，成为残余压 深。但计算压痕面积时不能简单地用坼来计算。这是因为当压头压入材料时不 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 仅压头正下方的材料而且压头周围的材料也将发生弹塑性变形。卸载时压头周 围的材料也将发生弹性恢复，从而在压痕周围形成一个凸肩或凹肩( 压痕的隆 起或沉入现象) 。 压针 1 、1 。 初始平面 懿殛； 最大压力下的材料表面 图2 - 3 载荷一压深曲线图2 - 4 试件表面受压前后的压痕示意图 p i g 2 - 3s c h e m a t i cd i a g r a mo f l o a d - d i s p l a c e m e n tc h i v e f i g 2 - 4s c h e m a t i co f s p e c i m e ns u r f a c e 为了从载荷- 压深数据中计算出硬度和模量，必须准确地测量弹性接触刚 度和接触面积。因此，首先建立卸载深度与载荷的关系。o l i v e r 和p h a r r 将卸 载曲线顶部的载荷与位移的关系拟合为指数关系： p = 口( 厅一h r ) ”( 2 1 ) 式中卜一荷； 卜压头的弹性位移； 是f 一是完全卸载后的残余压痕深度： 口，舻一通过测试获得的拟合参数。 接触刚度：可以根据式( 2 。1 ) 的微分计算出 拈( 豪( 硝m - ( 一一h 。( 2 - 2 ) 有效接触深度： h 。= 。一占睾( 2 - 3 ) 式中占与压针形状有关的常数。 m “可由试验测出，金刚石针尖顶端为曲面占取0 7 5 ，为平面时占取1 2 6 1 。 接触面积：由下式的面积函数确定 a = f ( h o ) = k h 0 2 ( 2 4 ) 对于理想的玻氏压针4 = 2 4 5 h 0 2 ，由于加工研磨技术的局限性和使用磨 损，压针尤其端部往往偏离理想情况，因此，需要在理想面积函数的基础上修 正实际压针的面积函数，接触投影面积函数一般用下式拟合 4 = c 。h 。丽 ( 2 - 5 ) 式中e 为曲线拟合常数，具体校准见4 3 1 节。 材料的纳米硬度日，可以定义为压痕过程中的平均压力 h = i ( 2 6 ) 约化弹性模量e 瀚计算公式如下： 乓= 斋2a ( 2 - 7 ) 口 式中p 为与压针形状有关的常数。 样品的弹性模量可以按下式计算； 上：三堡；三盘 e ， e t i p e d e 式中 e 。针尖的模量； y 岛针尖的泊松比； 最。材料的模量； y ；。材料的泊松比。 对于金刚石针尖，点0 2 11 4 0 g p a ， 由实验获得载荷压深曲线数据后 硬度和弹性模量值。 ( 2 8 ) y a 。2 0 0 7 c 根据式( 2 2 卜( 2 8 ) 就可以计算出材料的 2 3 2 基于a f m 的纳米硬度测量系统的实验方法 本系统中通过p c 经s a m 口向a f m 控制箱发送控制指令，设定p s d 偏 转电压值，经闭环控制系统进而控制p z t 带动探针z 向移动，达到进行压痕 实验的目的。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 l l _ - l - _ i i ml _ - _ - _ _ _ - _ _ l _ _ - - _ l _ - - - - _ _ _ _ _ _ _ - _ _ - l _ _ _ i l _ _