Спосіб визначення механічних характеристик твердофазної тонкої плівки

Реферат: Спосіб визначення механічних характеристик твердофазної тонкої плівки включає подачу газу до плівки, яка закріплена, створення різниці тиску газу по обидві сторони плівки, вимірювання геометричних параметрів деформованої частини плівки. Твердофазну плівку наносять на пласку поверхню твердого гетеру, в об'ємі якого міститься газ, створення різниці тиску газу проводять виділенням з гетеру газу до часткового відшарування плівки у вигляді пухирців. Після обчислення пружно-пластичної деформації плівки в пухирці знімають пружну деформацію за рахунок видалення газу з пухирців, додатково розраховують величину залишкової пластичної деформації плівки в пухирці після зняття пружної деформації. Далі визначають величину пружної деформації та обчислюють напруження в плівці, міцність, напруження плинності матеріалу плівки як добуток модуля Юнга на значення відповідної пружної деформації. UA 76290 U (12) UA 76290 U UA 76290 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до галузі дослідження властивостей матеріалів, а саме до визначення механічних характеристик твердофазних тонких та наноплівок, що застосовуються в електронній промисловості. Відомий спосіб визначення механічних характеристик твердофазної тонкої плівки за допомогою кінетичного мікро- та наноіндентування, за яким плівку наносять на підкладку, втискують в плівку з постійною швидкістю алмазний індентор та записують діаграму залежності навантаження від глибини під час занурення індентора та процесу розвантаження [1]. З отриманої діаграми обчислюють механічні характеристики плівки (модуль пружності та твердість) з досліджуваного матеріалу. Недоліком цього способу є залежність точності вимірюваних характеристик плівки від матеріалу підкладки та товщини вимірюваної плівки, а також неможливість визначити міцність матеріалу на розрив. Найбільш близьким до технічного рішення, що заявляється, є спосіб визначення механічних характеристик твердофазної тонкої плівки методом вигину ("видування") [2], за яким плівку з матеріалу, механічні характеристики якого вимірюють, закріплюють зовні до кільцевидної основи, наприклад, кінцівки труби за допомогою закріплюючого кільця, крізь яку подають газ, створюють різницю тиску газу по обидві сторони плівки та розраховують сумарну пружнопластичну деформацію плівки ε, виходячи з її форми. Недоліком цього способу є неможливість вимірювання механічних характеристик надтонких плівок нанорозмірної товщини внаслідок неможливості їх закріплення до основи без додаткових між основою та плівкою проміжних матеріалів та визначення окремо пл - пластичної деформації і пр - пружної деформації (пружного видовження) плівки, які є складовими деформації =пр+пл та інших механічних характеристик плівок. В основу корисної моделі поставлено задачу удосконалення способу визначення механічних характеристик твердофазних тонких та наноплівок шляхом нанесення твердофазної тонкої або наноплівки на пласку поверхню твердого гетеру, в об'ємі якого міститься газ, виділенням з гетеру газу до часткового відшарування плівки у вигляді пухирчатих здуттів та обчислення механічних характеристик плівки з використанням значення параметрів r - радіуса пухирця та його висоти h при досягненні ними пружно-пластичного стану та після зняття пружної деформації. Поставлена задача вирішується тим, що в способі визначення механічних характеристик твердофазної тонкої плівки, що включає подачу газу до плівки, яка закріплена, створення різниці тиску газу по обидві сторони плівки, вимірювання геометричних параметрів деформованої частини плівки, а саме, радіуса r та висоти h вигину плівки, обчислення пружнопластичної деформації  вигнутої частини плівки, виходячи з її форми, згідно з корисною моделлю, твердофазну плівку наносять на пласку поверхню твердого гетеру, в об'ємі якого міститься газ, створення різниці тиску газу проводять виділенням з гетеру газу до часткового відшарування плівки у вигляді пухирців, а після обчислення  плівки в пухирці знімають пружну деформацію за рахунок видалення газу з пухирців, додатково розраховують величину залишкової пластичної деформації пл плівки в пухирці з використанням параметрів r та h пухирців після зняття пружної деформації, визначають величину пружної деформації пр як пр =  - пл, та обчислюють напруження в плівці, міцність, напруження плинності матеріалу плівки як добуток модуля Юнга на значення відповідної пружної деформації. Виділення з гетеру газу створюють, наприклад, за допомогою пропускання електричного струму, а зняття пружної деформації здійснюють дифузією газу крізь плівку та/або внаслідок порушення цілісності плівки. Спосіб здійснюється за рахунок того, що при примусовому виділенні газу під час нагрівання гетеру з нанесеною на нього плівкою остання відшаровується в місцях виходу газу з гетеру, утворюючи пухирі. Під час утворення пухирів в них відбувається пружно-пластична деформація ε матеріалу плівки. Видалення газу, наприклад, порушенням цілісності плівки та/або дифузією газу крізь неї приводить до зняття пружної деформації, а залишкове видовження плівки пов'язане тільки з пластичною деформацією пл. Для визначення її величини в якості r беруть радіус пухирця після зняття пружної деформації. Це дає змогу, виходячи з різниці (–пл), отримати в чистому вигляді величину пружної деформації пр, а також граничну величину пружної деформації виходячи з геометричних параметрів пухирця з порушенням цілісності. Інші механічні характеристики: напруження в плівці, міцність та напруження плинності матеріалу плівки обчислюють як добуток модуля Юнга на значення відповідної пружної деформації. Приклад реалізації способу. На пласку підкладку електронно-променевим способом спочатку наносили електропровідну металеву плівку, а потім на неї наносили плівку гетера з -4 -6 MgO товщиною 7 нм при залишковому тиску газів 10 Торр. Поверх неї в вакуумі 10 Торр 1 UA 76290 U 5 10 рівномірно наносили досліджувану наноплівку заліза товщиною 20 нм. За умов пропускання електричного струму крізь електропровідну металеву плівку гетер з MgO нагрівали і виділяли з нього газ. Внаслідок цієї операції відбувалося локальне відшарування досліджуваної плівки з утворенням пухирчатих здуттів в місцях виходу газу з гетера. Вибирали пухирці різні за розміром, що відповідали різному напруженому стану - цілі і з порушенням цілісності, які утворювались за рахунок неоднорідного виділення газу, та визначали геометричні параметри r та h цих пухирців. Для пухирців з формою сегменту поверхні, близькою до сферичної, механічні характеристики розраховували з використанням формули для деформації: 2r 2r   arctg 2rh .   , де L   ,  2 L 180 sinarctg r  h2 Оскільки механічні характеристики об'ємних матеріалів можуть значно відрізнятись від таких для нанорозмірних плівок за рахунок пониженої дефектності останніх та розмірних ефектів, результати розрахунків (див. таблицю) порівнювали з механічними характеристиками наноматеріалів, таких як нитковидні [3] та бездефектні кристали заліза [4] - див. таблицю. Таблиця Механічні властивості заліза за способом та з літератури Величина Граничне пружне видовження, % Міцність (напруга руйнування), ГПа Звичайне залізо Залізна наноплівка Нитковидні Бездефектний (за Способом) кристали заліза [3] кристал заліза [4] 0,15 5 5 8 0,2-0,3 10 13,5 11-18 15 20 Джерела інформації:: 1. W.C. Olivera and G.M. Pharr. Measurement of hardness and elastic modulus by instrumented indentation: Advances in understanding and refinements to methodology/ZJournal of Materials Research (2004), 19: pp. 3-20 2. Палатник Л. С, Ильинский А. И. Механические свойства металлических пленок// УФН. - Т. 95. - Вып. 4.-1968 - С. 616. 3. Бережкова Г. В., Нитевидные кристаллы, М.: Наука, 1969. - С. 82. 4. Kotrechko S., Filatov О., Ovsjannikov О. Peculiarities of plastic deformation and failure of nanoparticles of b.c.c. transition metals // Materials Science Forum.-2007, Vol. 567-568. - P. 65-68. 25 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 30 35 40 1. Спосіб визначення механічних характеристик твердофазної тонкої плівки, що включає подачу газу до плівки, яка закріплена, створення різниці тиску газу по обидві сторони плівки, вимірювання геометричних параметрів деформованої частини плівки, а саме, радіуса r та висоти h вигину плівки, обчислення пружно-пластичної деформації ε вигнутої частини плівки, виходячи з її форми, який відрізняється тим, що твердофазну плівку наносять на пласку поверхню твердого гетеру, в об'ємі якого міститься газ, створення різниці тиску газу проводять виділенням з гетеру газу до часткового відшарування плівки у вигляді пухирців, а після обчислення ε плівки в пухирці знімають пружну деформацію за рахунок видалення газу з пухирців, додатково розраховують величину залишкової пластичної деформації εпл плівки в пухирці з використанням параметрів r та h пухирців після зняття пружної деформації, визначають величину пружної деформації пр як пр=-пл та обчислюють напруження в плівці, міцність, напруження плинності матеріалу плівки як добуток модуля Юнга на значення відповідної пружної деформації. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що виділення газу з гетеру досягають, наприклад, пропусканням електричного струму. 3. Спосіб за пп. 1, 2, який відрізняється тим, що зняття пружної деформації досягають порушенням цілісності плівки та/або дифузією газу крізь неї. 45 2 UA 76290 U Комп’ютерна верстка А. Крижанівський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3