超薄银纳米薄膜原位纳米压痕力学性能表征

摘要

纳米薄膜的光学、电学、磁学、超导等很多物理性能不同于传统的块体材料，这些与众不同的特性在现代工业领域有着极为重要的作用，而且应用十分广泛，比如薄膜传感器、薄膜太阳能电池和平板显示器件等。随着元器件朝向精密化、智能化，高密度、高集成的方向发展，其对纳米薄膜尺度的要求越来越高，已由之前的微米级别转为纳米尺度，并对其性能的要求也愈加苛刻，需要借助精密仪器和合适的模型进行研究。本文研究的对象是100nm左右的超薄银薄膜。实验借助自主研发的扫描电子显微镜扫描探针显微镜SEM-SPM联合测试系统，采用球形针尖对超薄纳米银薄膜进行了纳米压入测试，并通过考虑粘附力的DMT模型和消除基底效应的King修正模型得到超薄银薄膜最为真实的力学性能,其研究结果如下： （1）利用SEM-SPM联合测试系统，基于DMT模型和King修正模型，对比研究了高真空和空气环境下单晶硅片上厚度分别为60，90，120，180nm的超薄银薄膜的弹性模量。相同压入比下，两种测试环境下超薄银薄膜弹性模量与膜厚无关，也没有展现出明显的尺寸效应；压入比从0.1到0.3之间，空气中湿度会使得这个阶段的模量测试结果偏大；压入比处于0.3到0.7之间时，空气中不同膜厚的模量值保持稳定，维持在85GPa左右；压入比处于0.7到1之间时，模量值逐渐减小。真空下处于压入比为0.1到0.7 之间的弹性模量保持在85GPa左右；压入比处于0.7到1之间时，四种银薄膜测量结果逐渐减小。 因此，当空气中压入比从0.1到0.3时，超薄纳米银薄膜真实的弹性模量为85GPa左右，湿度为77RH时，湿度对测试影响显著，让测试结果偏离真实值；压入比0.3到0.7之间，此时空气湿度的影响可以忽略。超薄纳米金属薄膜的测试结果会受到空气中水汽的严重干扰，造成测量结果偏大，真空条件可以排除这一干扰，如果在空气中测试超薄银薄膜力学性能，需要降低空气湿度，应当选取压深与膜厚之比h/t处于0.3—0.7范围的数据比较可靠。 （2）以三种粗糙度分别为0.91、2.81、5.38nm的纳米银薄膜为研究对象，实验发现：银薄膜弹性模量的有效值并没有随着粗糙度的改变发生明显改变，因此超薄银薄膜的弹性模量有效值与其表面粗糙度的大小并没有必然的联系，而是会随着粗糙度的增大，弹性模量幅度逐渐增大，测量在真空下的稳定性高于在空气中的稳定性。

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