柔性基底上金属薄膜的力学和微结构特性研究

柔性基底上金属薄膜的力学和微结构特性研究材料是人类赖以生存和发展的物质基础。

材料的研究对国民经济建设、国防建设、人民生活等有着重大意义,在国际上受到普遍重视。

随着科学技术的发展,新材料、信息技术和生物技术并列为新技术革命的重要标志。

在实际研发与使用中,由于具备诸多优良品质,各种新型材料的应用愈加广泛。

尤其是近年来纳米科学技术的兴起,纳米功能复合材料、沉积有纳米级尺度涂层的薄膜材料等迅速成为人们的关注焦点。

而微电子机械系统与宏观柔性电子正是微纳米薄膜材料应用的关键领域。

微电子机械系统(Micro-Electro-Mechanical Systems,MEMS)是在融合多种微细加工技术,并应用现代信息技术的最新成果的基础上发展起来的高科技前沿学科,是一种全新的必须同时考虑多种物理场混合作用的研发领域。

其主要包括微型机构、微型传感器、微型执行器和相应的处理电路等几部分。

随着对MEMS研究的深入,除了材料电学性能、电化学特性、加工工艺参数外,在产品的设计、加工、测试、实际使用中所遇到的大量力学问题正对MEMS的飞速发展带来巨大挑战。

同时,微纳尺度下的力学特性研究有助于微系统结构的设计与功能实现,也为将来定制MEMS结构标准提供了依据。

另一方面,作为一个新兴的领域,宏观柔性电子正吸引着全世界的目光。

柔性电子可概括为是将有机/无机材料电子器件制作在柔性/可延性塑料或薄金属基板上的新兴电子技术,以其独特的柔性/延展性以及高效、低成本制造工艺,在信息、能源、医疗、国防等领域具有广泛应用前景,如平板显示器、有机发光二极管OLED、印刷RFID、薄膜太阳能电池板、电子皮肤等。

无论在MEMS还是在柔性电子中,纳米薄膜都扮演着举足轻重的角色,是最为关键的核心部件之一。

纳米薄膜是指尺寸在nm量级的颗粒(晶粒)构成的薄膜或者层厚在nm量级的单层或多层薄膜,通常也称作纳米颗粒薄膜和纳米多层薄膜。

在这些系统中,往往通过离子束沉积法、磁控溅射法、化学气相沉积法等技术手段将纳米薄膜沉积在各种柔性基底上,简称为薄膜-基底结构。

在产品的加工、使用等过程中,薄膜-基底结构常常承受着大量力的作用,如拉伸、压缩、弯曲等。

随着基底的变形,薄膜将随之变形并可能伴随着内部高应力的产生,从而导致结构失效。

此外,薄膜的沉积过程将不可避免的带来残余应力。

过大的残余应力会引发各种失效形式,如薄膜表面产生大量裂纹甚至断裂,薄膜的屈曲与脱粘。

这将严重影响纳米薄膜的电磁光、机械强度等物理性能。

同时薄膜基底之间粘接性能的好坏对薄膜失效的难易程度起着关键作用,良好的粘接性能往往能提高薄膜抑制失效的能力。

由于金属薄膜往往是多晶体,晶粒方向的分布,晶粒间相互作用,晶界等因素也深刻影响着薄膜的力学行为。

因此,纳米薄膜力学和微结构特性研究正吸引着全世界的目光,并且将对未来MEMS与柔性电子的发展产生深远的影响。

本文将沉积在柔性聚酰亚胺(Kapton)基底上金属纳米薄膜作为研究对象,分别从弹性模量、应变传递、循环变形行为等方面对其进行了深入的研究与探讨,具体研究内容与研究成果主要体现在以下几个方面:(1)提出了全新的测量亚微米厚薄膜(等效)弹性模量的方法手段。

将纳米薄膜对称沉积在基底上下半表面,在单轴拉伸作用下,膜基结构与无膜基底间的宏观应变差异成为薄膜弹性参数获取的关键。

该方法基于薄膜是(横向)宏观各项同性、膜基界面粘结完美(薄膜基底应变一致)、拉伸过程中保持平整表面等假设,利用力的平衡条件与胡克定律所导出。

当考虑膜基泊松比失配效应时,薄膜弹性模量与其厚度,泊松比以及基底的弹性参数相关,通过测得膜基部分横向应变、无膜基底轴向应变与膜基部分轴向应变的关系即可得到。

若忽略膜基泊松比失配效应,可大大减化薄膜弹性模量的获取过程,其仅与薄膜厚度、基底杨氏模量及厚度、无膜基底与膜基部分轴向宏观应变关系有关。

为了验证上述理论方法的可靠性,我们利用有限单元法(FEM)对其模型进行了数值分析。

针对薄膜是宏观各向同性的情况,采用2*500 nm厚钨(W)薄膜覆盖在基底上下半表面。

薄膜基底皆用三维“brick”单元(C3D8R),膜基界面为“tie”约束以实现完美粘结。

由于薄膜厚度方向尺寸远小于其它方向尺寸,因此仅用两层单元,而对基底划分了十层单元,其中靠近薄膜一端的两层单元与薄膜的两层单元保持一致。

考虑到结构的对称性,仅对一半结构进行建模以减少单元数量。

固定该模型一端,对另一端施加位移载荷(45μm)并且薄膜基底皆处于弹性阶段。

数值结果表明,无论是否有薄膜基底泊松比失配效应,其对最终所获得的弹性模量值几乎没有影响,并且与薄膜实际弹性参数保持高度一致。

针对薄膜是横观各向同性的情况,我们选取2*500 nm厚呈{111}纤维织构的镍(Ni)薄膜。

分析过程类似于W薄膜,但是ABAQUS软件中需设置薄膜“type of elastic”为“Lamina”,并且单元类型为平面应力单元,即三维“shell”单元。

最终结果同样表明上述理论方法是可靠的,并且膜基泊松比失配效应可以忽略不计。

为了进一步对该理论模型进行实验验证,首先我们设计了拥有不同几何尺寸的基底,对其标距部分进行了加长加宽处理,以减小基底边界以及有膜和无膜部分交界处对中心观测区的影响。

然后设计了新的模具以实现将薄膜分别对称镀在基底上下半表面。

随后设计制造了适配于Deben公司微拉伸仪与试样的垂直夹具,该设计让同时捕捉膜基部分与无膜基底的应变成为可能。

同时,我们开发了结合单轴拉伸测试的全新双数字图像相关(DIC)系统,其可以同时获取膜基部分与无膜基底在拉伸载荷下的轴向与横向主应变。

该系统由两个单DIC系统组成,其中一个主要由0.5倍远心镜头、2560*1920像素CCD、纤维光束照明构成;另一个主要由1.0倍远心镜头、1392*1040像素CCD、LED光源构成。

值得注意的是,由于聚酰亚胺基底是半透明的,两个光源间的相互干扰会对各自的应变测量产生非常不利的影响。

因此,我们在两个远心镜头之前分别添加了一个偏振片,以降低光源间互相干扰,使之对应变测量精度的影响可忽略不计。

我们选取了2*500 nm厚宏观各向同性的W薄膜以及{111}纤维织构的Ni膜(2*500 nm)和铜膜(Cu,2*1μm),利用双DIC系统分别同步测量其单轴拉伸下膜基部分和无膜基底的宏观应变。

在应用简化理论公式后所获得的弹性模量值与宏观值接近,验证了该方法的可靠性。

为了实验验证泊松比失配所带来的影响,我们应用复杂理论公式后发现两者数值间差异极其微小,可忽略不计。

此外,区别于X射线衍射(XRD)等技术,该方法既可以用来测晶体材料薄膜也可以用来测非晶体材料薄膜。

更为重要的是,其可被用于评估未知薄膜材料的(等效)弹性模量。

因此,我们在聚酰亚胺基底上下半表面交叉沉积了2*480 nm厚W/Cu多层膜,并研究了其弹性属性。

实验结果表明其等效弹性模量与加权平均后的宏观弹性模量类似,并且Cu膜的引入使得其弹性极限(～1%)远大于纯W(～0.3%)薄膜的弹性极限。

简而言之,我们提出了一种全新的测量基底上薄膜弹性参数的方法手段。

从理论分析、数值模拟以及实验结果来看,相互之间具有很高的吻合度。

同时,我们全新研发了多种加载以及测量系统,实现了同步获取膜基部分与无膜基底应变的能力。

(2)如前所述,作为测量薄膜杨氏模量新方法的关键假设,完全应变传递(薄膜应变与基底应变相等)以及平整表面假设需要被进一步研究。

通过对双DIC系统进行改进升级之后,当单层金属薄膜沉积在基底表面之上时,薄膜与基底在单轴拉伸作用下的宏观应变可以被同步获取。

由于力只施加在基底两端,并非直接作用于薄膜上,因此薄膜的变形是由基底的变形所引起的。

显而易见,膜基界面对应变的传递起着关键作用。

然而膜厚,非弹性变形,残余应力等因素对应变传递的影响仍然未知。

在本文中,我们将不同厚度(50 nm-1μm)W膜,1μm厚Cu膜,500 nm厚Ni 膜,500 nm厚Cr膜沉积在聚酰亚胺基底上表面。

通过比较薄膜与基底宏观应变间的关系,我们发现在拉伸应变小于2%(远大于本文所有薄膜弹性极限)的情况下,沿厚度方向并不存在宏观应变梯度,即薄膜应变与基底应变是一致的。

值得注意的是,由于W薄膜是脆性的,通过对数字图像的放大,可以很明显的观测到垂直于加载方向的隧道式裂纹。

另外,利用X射线衍射技术和Stoney公式,我们分别测得了薄膜的微结构和残余应力,可知不同的薄膜有着截然不同的属性。

实验结果表明,无论金属薄膜的膜厚(≤1μm)、微结构、弹性或者非弹性变形、裂纹、延展性和残余应力是否相同,从基底到薄膜的完全宏观应变传递都不受其影响。

界面粘结性能可以被看作唯一的控制因素。

而这并不奇怪,因为完美的粘结迫使薄膜随着基底同步变形,界面间不存在滑移现象,并且薄膜厚度在亚微米级别,不易发生沿厚度方向的应变梯度行为。

为了进一步验证上述理论模型中,在基底上下表面皆沉积有纳米薄膜的情况下的完全应变传递假设,我们将两层500 nm厚W薄膜分别磁控溅射在基底两个表面,并只覆盖一半的表面面积。

利用同样的方法,我们发现在大应变拉伸范围内,上下薄膜层的宏观应变仍然保持一致。

由此可见,该假设成立,并且利用我们的磁控溅射与离子束沉积镀膜方法,在不添加脆性过渡层(提升界面粘结强度)的情况下即可获得完美界面粘结或者完全宏观应变传递行为。

此外,当薄膜沉积在基底单个表面之上时,上述及许多其他理论实验模型皆假设在拉伸过程中,薄膜表面上所有点仍然保持在同一平面。

然而其不一定完全成立,并可能对模型精度产生不利影响。

利用白光干涉衍射技术和高级图像拼接技术,我们测量了薄膜表面形貌(～11*6 mm2)及其曲率演变过程。

在轴向拉伸方向,薄膜表面保持平整,但是在横向方向并非如此。

由于拉伸残余应力的存在以及膜基的泊松比失配(W膜:0.28,Kapton:0.34),横向表面形貌由凹向凸转变,高度方向变化高达几十微米。

这将影响到本文所用理论模型与后面X射线衍射测试的精度,因此我们将薄膜在相同镀膜条件下分别对称沉积在基底上下各半表面。

考虑到对称性,薄膜无论是在残余应力作用下还是在拉伸载荷作用下都仍然可以保持平面。

(3)众所周知,金属薄膜材料的力学行为不仅依赖于其残余应力状态,也与其变形历史相关。

在实际使用中,金属薄膜承受着多重循环加载,在某一方向的塑性行为可能会影响到接下来的在另一方向的塑性响应,即包辛格效应。

其中一个结果是当应变方向改变时,其屈服强度降低。

在本文中,我们首次通过循环拉压测试研究了柔性基底上纳米薄膜的包辛格效应。

首先,我们研发了基底预拉伸技术。

由于Kapton基底非常柔软,并且沿厚度方向尺寸远小于横向尺寸,因此在压缩时极易产生薄膜基底结构的屈曲。