微納米力學及納米壓痕表征技術

1、微納米力學及納米壓痕表征技術摘要：微納米力學為微納米尺度力學即特征尺度為微納米之間的微細結構所涉及的力學問題[1]。納米壓痕方法是通過計算機控制載荷連續(xù)變化，并在線監(jiān)測壓深量[2]，適用于微米或納米級的薄膜力學性能測試，本實驗采用Oliver–Pharr方法研究了Al2O3薄膜，附著在ZnS基底，得到了Al2O3薄膜的力學性能。關鍵詞：微納米力學納米壓痕楊氏模量硬度0引言近年來隨著工業(yè)的現代化、規(guī)?；a業(yè)化以及高新技術和國防技術的發(fā)展

2、對各種材料表面性能的要求越來越高。20世紀80年代現代表面技術被國際科技界譽為最具發(fā)展前途的十大技術之一。薄膜、涂層和表面處理材料的極薄表層的物理、化學、力學性能和材料內部的性能常有很大差異這些差異在摩擦磨損、物理、化學、機械行為中起著主導作用如計算機磁盤、光盤等要求表層不但有優(yōu)良的電、磁、光性能而且要求有良好的潤滑性、摩擦小、耐磨損、抗化學腐蝕、組織穩(wěn)定和優(yōu)良的力學性能。因此世界各國都非常重視材料的納米級表層的物理、化學、機械性能及其

3、檢測方法的研究。[3]同時隨著材料設計的微量化、微電子行業(yè)集成電路結構的復雜化傳統材料力學性能測試方法已難以滿足微米級及更小尺度樣品的測試精度不能夠準確評估薄膜材料的強度指標和壽命另外在材料微結構研究領域中材料研究尺度逐漸縮小材料的變形機制表現出與傳統塊狀材料相反的規(guī)律以上趨勢要求測試儀器具有高的位置分辨率、位移分辨率和載荷分辨率納米壓痕方法能夠滿足上述測試需求。[4]現在，薄膜的厚度己經做到了微米級甚至于納米級對于這樣的薄膜用傳統的材

4、料力學性能測試方法己經無法解決。納米壓痕試驗方法是一種在傳統的布氏和維氏硬度試驗基礎上發(fā)展起來的新的力學性能試驗方法。它通過連續(xù)控制和記錄樣品上壓頭加載和卸載時的載荷和位移數據并對這些數據進行分析而得出材料的許多力學性能指標壓痕深度可以非常淺，壓痕深度在納米范圍也可以得到材料的力學性能，這樣該方法就成為薄膜、涂層和表面處理材料力學性能測試的首選工具如薄膜、涂層和表面處理材料表面力學性能測試等。1納米力學簡介1.4納米材料的特殊性質特殊的

5、光學性質是指所有的金屬在超微顆粒狀態(tài)都呈現為黑色。尺寸越小，顏色愈黑，銀白色的鉑（白金）變成鉑黑，因為金屬超微顆粒對光的反射率很低，通?？傻陀趌％，大約幾微米的厚度就能完全消光。利用這個特性可以作為高效率的光熱、光電等轉換材料，可以高效率地將太陽能轉變?yōu)闊崮?、電能。此外又有可能應用于紅外敏感元件、紅外隱身技術等。特殊的熱學性質是指固態(tài)物質在其形態(tài)為大尺寸時，其熔點是固定的，超細微化后卻發(fā)現其熔點將顯著降低，當顆粒小于10nm量級時尤為顯

6、著。特殊的磁學性質是指小尺寸的超微顆粒磁性與大塊材料顯著的不同，大塊的純鐵矯頑力約為80Am，而當顆粒尺寸減小到20nm以下時，其矯頑力可增加1千倍，若進一步減小其尺寸，大約小于6nm時，其矯頑力反而降低到零，呈現出超順磁性。利用磁性超微顆粒具有高矯頑力的特性，可制作高貯存密度的磁記錄磁粉，應用于磁帶、磁卡以及磁性鑰匙等。特殊的力學性質是指因為納米材料具有大的界面，界面的原子排列是相當混亂的，原子在外力變形的條件下很容易遷移，因此表現出

7、甚佳的韌性與一定的延展性。1.5表面效應對納米材料的影響納米粒子的表面原子所處的晶體場環(huán)境及結合能與內部原子有所不同，存在許多懸空鍵，具有不飽和性質，因而極易與其他原子相結合而趨于穩(wěn)定，具有很高的化學活性。當顆粒細化時，粒子逐漸減小時，總表面積急劇增大，比表面積相應的也急劇加大。由于表面原子數增多，原子配位不足及高的表面能，使這些表面原子具有高的活性，極不穩(wěn)定，很容易與其他原子結合而表現出很高的化學活性納米粒子的表面原子所處的位場環(huán)境及

8、結合能與內部原子有所不同，如存在許多懸空鍵，配位嚴重不足，具有不飽和性質，因而極易與其它原子結合而趨于穩(wěn)定，所以具有很高的化學活性。2納米壓痕實驗原理及方法2.1納米壓痕實驗原理為了便于理論分析通常用一個軸對稱壓頭作為納米壓痕試驗的理論模型圖2一3為試驗過程中壓痕剖面變化的示意圖。當壓頭壓入試樣后壓頭附近的材料首先產生彈性變形隨著載荷的增加試樣開始產生塑性變形樣品中出現一個與壓頭形狀匹配的壓痕壓痕的接觸深度為h。接觸圓半徑為a。當壓頭卸