微纳米尺度金属薄膜拉伸分叉问题的研究

摘要

微纳米尺度金属薄膜在电子信息、能源、生物、医疗等研究领域中得到了广泛的应用。薄膜在工作过程中常常要承受拉伸载荷,当载荷达到某一值时,薄膜结构会在某一微小载荷增量下发生失稳型分叉,随后薄膜会出现损伤和破坏。由于薄膜的分叉将直接影响到元器件的性能和寿命,因此研究薄膜拉伸分叉行为极为重要。为此本文利用电阻特性对微纳米尺度金属薄膜的拉伸分叉问题展开研究。
　　本文利用金属薄膜拉伸时电阻变化的特点,对薄膜在拉伸变形过程中电阻的变化进行理论分析,得到弹性变形阶段和均匀塑性变形阶段以及局部化阶段电阻变化与应变之间的关系。
　　自主设计电阻变化测量系统和薄膜/基底结构拉伸加载装置,实现对薄膜/基底结构在高精度下进行原位拉伸加载,并实时测量金属薄膜电阻变化的信息,加载过程中可通过高倍光学显微镜实时观测金属薄膜表面的形貌及变化过程。
　　本文研究了聚酰亚胺基底上铜薄膜在拉伸载荷作用下的变形分叉及破坏过程。研究发现,铜薄膜拉伸分叉的位置并不是单一的,可能存在多处同时发生分叉,薄膜表面微裂纹的出现呈周期性分布,且各裂纹之间基本保持平行,其方向垂直于拉伸加载方向。
　　利用电阻变化测量系统测量拉伸加载过程中铜薄膜的电阻变化情况,得到薄膜电阻随应变变化的关系,与理论推导的结果进行对比分析,确定铜薄膜的拉伸分叉点。研究表明,沉积于聚酰亚胺基底上的微纳米尺度铜薄膜在单轴拉伸作用下,经过弹性变形阶段后,很快就发生分叉,然后产生破坏,而塑性变形阶段和局部化阶段较短;在弹性变形阶段铜薄膜的电阻变化速率很小,均匀塑性变形阶段稍有增大,而当薄膜表面开始出现微裂纹后,电阻变化的速率急剧增大。
　　通过改变拉伸加载速率,研究不同加载速率对拉伸分叉的影响。研究结果表明,薄膜/基底结构的初始电阻对金属薄膜拉伸分叉的影响较大,且一定范围内拉伸速率的增加对金属薄膜的拉伸分叉具有促进作用。

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第一章 绪论

1.1微纳米薄膜拉伸分叉问题的研究背景及意义

1.2国内外研究现状

1.3本文的主要研究工作

第二章 金属薄膜拉伸分叉电阻演化理论

2.1金属薄膜拉伸变形理论

2.2金属薄膜拉伸过程中的导电性能分析

2.3弹性阶段

2.4均匀塑性变形阶段

2.5局部化变形阶段

2.6破坏阶段

2.7本章小结

第三章 拉伸分叉实验系统的开发

3.1薄膜/基底结构拉伸加载装置

3.2电阻电测法测量装置

3.3数据采集系统

3.4拉伸分叉实验系统功能的实现

3.5本章小结

第四章 薄膜/基底结构拉伸分叉问题的实验研究

4.1实验试件的设计和制备

4.2实验的加载方式和观测方法

4.3金属薄膜在拉伸载荷下的表面形貌研究

4.4确定金属薄膜拉伸分叉点的研究

4.5加载速率对金属薄膜拉伸分叉的影响研究

4.6本章小结

第五章 总结与展望

5.1总结

5.2展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢