1 引 言
近几年研究者倾向于使用商用AFM(Atom-ic Force Microscope)系统测量纳米硬度,因为其能实现纳米级的定位和纳米尺度的压痕并达到<1μN的初始载荷,尤其对于各种厚度小于1μm的薄膜材料,AFM具有其他压痕仪器所无法比拟的优点。1994年,美国俄亥俄州大学的B.Bhushan和V.N.Koinkar[1]用AFM测量了单晶硅材料,压痕深度只有1 nm。2000年美国加利福尼亚大学的G.W.Marshall Jr[2]等人也利用AFM研究了牙质材料(DEJ)的机械特性。2001年日本学者Isao Kojima[3],用AFM探针对碳氮薄膜进行实验,研究了碳氮薄膜的硬度与薄膜的温度和密度的关系。2004年中国北京科技大学的华文申等人和中科院物理研究所的沈殿宏等人用AFM研究了TiCx/NIAl合成物交界面的纳米硬度和弹性模量[4]。然而,用AFM本身的压痕软件进行纳米硬度测量,只能直接得到力曲线,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。为了解决上述问题,本文基于AFM建立控制系统,在金刚石针尖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。这样既能扫描到压痕图像又能得到载荷-压深曲线。
2 实验装置
实验中采用美国DI公司Nano III型SPM(Dimesion 3100),金刚石针尖的弹性系数为150~300 N/m,系统软件为Indent软件。本项目研制的系统是将安装有A/D卡的PC机通过SPM的输入/输出接口单元SAM口与SPM相连,经控制箱设定PSD偏转电压值达到给探针加载和卸载的目的,同时也是通过SAM口实时采集数据,并绘制载荷-压深曲线。实验中采用的单晶薄膜样品是用真空沉积镀膜的方法在硅表面分别镀1μm厚的铜膜和150 nm厚的铝膜,其表面粗糙度Ra<50 nm。同时,为了研究基体材料对薄膜性能的影响还选择了纯单晶铝样品进行对比。
3 测量系统的实验原理
系统的实验原理如图1所示。实验时首先通过setpoint设置PSD初始电压,使针尖刚好与试件表面轻轻接触,悬臂没有变形,通过SAM口采集此时PZT的初始位移Zp1所对应的电压值V1。然后再给PSD一定的电压值,此时相对于初始电压PSD产生偏转电压Vdef,这个偏转电压使针尖压入试件一定深度hmax,微悬臂产生ΔZc的变形量,记录下PZT位移Zp2对应的电压值V2。如果试件是理想的即很硬以至于针尖根本压不进去,当PSD的偏转电压为Vdef时,相应PZT的Z向位移变化量就等于微悬臂的变形量ΔZc。
式中s为探针的灵敏度,而我们实验时所用的试件不是理想的,针尖将压入试件表面一定深度,相对于偏转电压Vdef,PZT的Z向位移变化量包含微悬臂的变形量和压痕深度两部分
式中245.7是电压和位移之间的转换系数。
作用在探针上的力p为压痕的载荷,通过下式计算:
式中kc为微悬臂的弹性系数,对于压痕的微悬臂其值为247.3 N/m。
利用压痕过程中实时采集到的电压值,根据式(1)~(3)就可以计算出最大压深hmax和最大载荷pmax,根据得到的载荷-压深曲线的卸载部分进行拟合得到接触刚度S,这样再根据硬度计算公式就可以计算出材料的弹性模量和硬度值。
4 实验结果和分析
由图2 (a)和(b)的载荷-压深曲线可以明显的看出,在相同的载荷力作用下Cu的最大压深远远小于Al的最大压深,而且根据卸载曲线的斜率知道Al的接触刚度比Cu小,于是从载荷-压深曲线能直接地分析出Al比Cu软很多,Al的纳米硬度值应该小于Cu,弹性模量值应该大于Cu。经计算在相同的载荷力40μN作用下,Cu的纳米硬度和弹性模量分别为4.26 GPa和70GPa,Al的分别为0.5 GPa和75 GPa;在48μN作用下,Cu的纳米硬度和弹性模量分别为3.9GPa和72 GPa,Al的纳米硬度和弹性模量分别为0.45 GPa和80 GPa。通过用美国Hysitron公司生产的TriboIndenter做验证试验得知,本系统的实验精度高于以往传统的硬度测量仪器,由于很多因素的影响其精度稍低于TriboIndenter。
为了说明基材对薄膜力学性能的影响,按照压入深度为1/10~1/5膜厚时可以避免基体对膜测试影响的原则[5],实验中选用软膜硬基的Al/Si,即在硅片上镀了厚约150 nm的单晶铝薄膜,分别对该薄膜和纯单晶铝块进行纳米硬度实验。
从图3可以直接看出,Al的塑性变形比Al/Si的要大很多,Al/Si的弹性恢复比Al大。图4的AFM压痕图像也表明相同条件下Al的压痕明显大于Al/Si的压痕深度,由图3的曲线算得Al/Si的纳米硬度和弹性模量分别为5.3 GPa和140 GPa,Al的分别为0.5 GPa和75 GPa,Al/Si的模量和硬度明显高于Al,证明基体对薄膜性质有很大的影响。图5是根据Cu和Al在不同压力下的纳米硬度实验得到的纳米硬度、弹性模量和压痕深度的关系曲线,可以看出,Cu和Al的纳米硬度值随着压深的不断减小呈现明显的上升趋势,而弹性模量基本上没有太大变化。导致这种现象的原因是当材料的尺寸进入到微纳尺度范围内时,尺度效应开始影响材料的力学性能。由于材料的弹性属性取决于原子间的结合力,是材料的固有物理特性,不受尺度效应的影响;而硬度等塑性变形行为依赖于位错在诱导应力下的运动,这种运动常常受到来自晶界和缺陷等的影响,尺度效应能够产生这种几何约束来阻碍位错的产生和滑移,使得应力得不到释放,因此引起了硬度值的提高。
应用塑性应变梯度理论[6-8]可以预测材料在微米和亚微米层次的尺度效应现象,即在传统弹塑性理论的框架下考虑应变梯度的影响,在本构关系中,应变和应变梯度诸项之间通过微尺度参量匹配,可由这些微尺度参量刻画尺度效应。对于Cu和Al等常规金属材料,塑性应变梯度理论中微尺度参量的取值大约在0.8μm~1.5μm[9],当压入深度小于该范围时为尺度效应的敏感区,特别是当压入深度与微尺度值之比小于1/3时,尺度效应十分敏感;当压入深度大于微尺度值时,尺度效应不太敏感,传统弹塑性理论可以近似适用[10~12]。
5 结 论
根据上述单晶材料的实验结果表明,该系统直接得到的载荷-压深曲线可以用来进行纳米级硬度等力学性能的分析,但由于微悬臂的影响,该系统不适于测量较硬的材料,施加的控制电压最好不要超过2 V,测量软材料的精度优于传统的硬度测量方法;由本系统测得的纳米硬度和弹性模量值可知,随着压痕深度的减小,薄膜的硬度值呈明显的上升趋势,弹性模量没有这个趋势。这主要是由于材料的硬度等塑性变形行为受到尺度效应的影响,而材料的弹性只依赖于原子间的结合能,和材料微观结构以及外形尺寸基本无关。在薄膜厚度低于5~10倍压入深度时,基体对薄膜材料的力学性能影响很大。由于Si片的模量和硬度较大,Al/Si的硬度和模量明显高于Al的硬度和模量,且随压入深度的增加,硬度和模量值上升较快。
参考文献:
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作者简介:史立秋(1978-),女,现为哈尔滨工业大学精密工程研究所在读博士生。E-mail: jmsdxshiliqiu@163.com
