介观材料力学.综述

1、材料的介观力学性能评价及尺度效应,参考书目： L. B. Freund and S. Suresh, Thin Film Materials: Stress, Defect Formation,and Surface Evolution Cambridge University Press, Cambridge,2003 (2) W. D. Nix, Metall. Trans. A 20 (1989) 2217.,2,什么是介观？,3,材料介观力学性能评价的意义,微米尺寸材料的广泛应用,MEMS,集成电路 互连导线,4,块体材料强度随晶粒尺寸的变化,微米尺寸下材料安全选择与性能预测的需要,材

2、料介观力学性能评价的意义,5,强度,材料力学性能指标,延性,韧性,承载能力,可发生变形的能力,抵抗断裂的能力,疲劳！,6,提纲,1. 金属薄膜的准静态力学性能,2. 金属薄膜的疲劳性能,3. 微小柱状单晶试样的力学性能,7,弹性模量：弹性变形的抗力,1. 宏观材料的力学性能评价,强 度：承载能力,塑 性：变形能力,韧 性：变形功 能量概念,硬 度：材料软硬程度,万能材料实验机,常用试样形貌,8,块材压入测试简介,1. 金属薄膜的静态力学性能纳米压入仪测量,布氏硬度压痕,布氏：稳定/压痕大,洛氏硬度压痕,洛氏：压痕小/不稳定,维氏：兼有布氏和洛氏的优点,9,1. 金属薄膜的静态力学性能纳米压入仪

3、测量,10,1. 金属薄膜的静态力学性能纳米压入仪测量,11,不足：,基体影响,压头周围材料堆积或塌陷,尺寸效应问题,残余应力影响,1. 金属薄膜的静态力学性能纳米压入仪测量,12,1. 金属薄膜的静态力学性能悬臂梁法,属于薄膜弯曲实验方法,13,1. 金属薄膜的静态力学性能悬臂梁法,14,1. 金属薄膜的静态力学性能悬臂梁法,屈服应力-悬臂梁厚度关系曲线,15,1. 金属薄膜的静态力学性能 悬臂梁法,可能原因：,残余应力,基体影响,压头滑动,16,1. 金属薄膜的静态力学性能 微桥法,17,1. 金属薄膜的静态力学性能单轴拉伸,获得材料应力-应变最直接的方法,自由膜,微加工,柔性基板,粘揭,

4、溶去中间介质层,溶去基板,边缘损伤、卷曲,装样困难,试样规整,制备复杂,简单易行,数据可靠,18,1. 金属薄膜的静态力学性能单轴拉伸,膜基系统拉伸曲线,柔性基板,19,1. 金属薄膜的静态力学性能单轴拉伸,20,1. 金属薄膜的静态力学性能单轴拉伸,t ：薄膜厚度 尺寸效应,柔性基板,21,Cu薄膜/聚酰亚胺 晶粒尺寸 vs 薄膜厚度,磁控溅射薄膜沉积设备,t = 60 nm,t = 340 nm,t = 700 nm,22,1. 金属薄膜的静态力学性能单轴拉伸,表面、界面处位错受约束,23,1. 金属薄膜的静态力学性能 延性,自由膜：一旦颈缩，快速断裂,硬基底附着膜：基底脆断,软基底附着膜

5、：可使薄膜延性完全表现,延性评价方法 ？,24,1. 金属薄膜的静态力学性能微裂纹统计及实时电阻法,裂纹萌生临界应变：C,薄膜表面微裂纹百分数统计,实时电阻法测试,25,实时电阻法测定临界应变,不同薄膜厚度,临界应变-屈服强度关系,Cu薄膜延性尺寸效应,26,微裂纹统计法测定临界应变,应变,薄膜厚度,薄膜越薄，应变越大，贯穿型大裂纹越多,27,不同薄膜厚度,微裂纹统计法测定临界应变,两种方法结果对比,微裂纹测定与实时电阻测定结果相近,金属薄膜延性评价方法,28,Flexible substrate (Polymer),Rigid substrate (Silicon),Good underst

6、anding of the fatigue properties are very important !,2. 金属薄膜的疲劳性能附着膜,29,Polymer substrate (Stretchable),Tension-tension fatigue (Microforce tester),Key point: Subtracting or avoiding the influence of deformed substrate,3 % elastic deformation,P = 250 N + 1 mN,polyimide,2. 金属薄膜的疲劳性能柔性基板,30,Previous

7、methods on fatigue lifetime (Nf) measurement,Shortcomings: complicated and structurally instable at definition point,Strain range change (Kraft et al. 2001),Extrusion density counting (Volkert et al. 2008),Nf,Load-controlled,Saturated,Ex-situ measurement,2. 金属薄膜的疲劳性能柔性基板,31,Suggestion of a much more

8、 simple method,Fatigue lifetime for microcrack nucleation (Verified by SEM),Relative change in ER,Cu,In-situ measurement,2. 金属薄膜的疲劳性能柔性基板,32,Thin Cu and Al films: Nf Curves,Following the well-known Coffin-Manson relationship,Al films (80nm-800nm),Cu films (100nm-3.75 m),2. 金属薄膜的疲劳性能柔性基板,33,Thin Cu films: thickness dependent Nf,The thinner is the fil