納米壓痕法表征壓電薄膜-納米帶的力電耦合性能.pdf

1、納米壓痕技術具有靈活方便、精確性高以及對樣品的尺寸要求小的特點,是表征材料機械性能的常用方法。但通常在薄膜或者納米帶壓痕實驗過程中,基底會對薄膜或納米帶的力學性能產(chǎn)生影響,因此傳統(tǒng)測試方法的實驗結(jié)果反映的是薄膜/納米帶和基底體系的綜合性能,而不是納米帶/薄膜材料的本征性能。如何考慮基底效應的影響,表征薄膜與納米帶的力學性能,現(xiàn)已成為微電子材料領域研究的關鍵問題之一。
　　本文把薄膜/納米帶和基底體系的納米壓痕加載曲線的模型進行修正

2、,將加載曲線擬合成指數(shù)函數(shù)形式,獲得加載曲線指數(shù)x和最大加載力Fmax,進而研究基底對薄膜或納米帶力學性能表征的影響。在考慮基底效應的情況下,結(jié)合有限元和納米壓痕實驗,確定了PZT壓電薄膜的力電耦合性能和納米帶的力學性能。主要研究內(nèi)容和結(jié)果如下:
　　1.考慮基底效應的影響,采用有限元和納米壓痕實驗相結(jié)合的方法,確定了橫觀各向同性PZT薄膜的力電耦合參數(shù)。
　　(1)彈性參數(shù)的確定。在正向分析中,分別忽略和考慮PZT薄膜的壓

3、電效應,通過有限元模擬和無量綱分析得到了最大加載力、加載曲線指數(shù)與膜基體系楊氏模量之間的無量綱方程。在反向分析中,通過沉積在硅基底上PZT薄膜的納米壓痕實驗,得到壓痕加載曲線,將壓痕曲線中的最大加載力Fmax、加載曲線指數(shù)x以及相關的實驗參數(shù)從壓痕實驗中提取出來,把這些數(shù)據(jù)代入正向分析所建立的無量綱方程中,求得忽略和考慮壓電效應時PZT薄膜的彈性模量。
　　(2)壓電參數(shù)的確定。在正向分析中,對于橫觀各向同性壓電薄膜,通過有限元模

4、擬和無量綱分析得到了最大加載力Fmax和加載曲線指數(shù)x與實驗參數(shù)Fmax和x之間的無量綱方程。在反向分析中,通過PZT薄膜的納米壓痕實驗,可得到壓痕加載曲線,將這些數(shù)據(jù)代入正向分析所建立的無量綱方程中,進而求得PZT薄膜的壓電系數(shù)。
　　2.考慮基底效應的影響,通過有限元法討論了納米帶不同寬厚比對壓痕響應的影響。然后結(jié)合納米帶壓痕實驗,表征了一定寬厚比ZnO和ZnS納米帶的楊氏模量。在正向分析中,建立最大加載力、加載曲線指數(shù)與納米

5、帶寬厚比及其楊氏模量之間的無量綱方程。在反向分析中,通過ZnO和ZnS納米帶的納米壓痕實驗,將實驗數(shù)據(jù)代入正向分析所建立的無量綱方程中,求得ZnO和ZnS納米帶的寬厚比和楊氏模量。
　　3.考慮基底效應的影響,確定了橫觀各向同性ZnO納米帶彈性模量。在正向分析中,通過有限元模擬和無量綱分析,建立已知寬厚比納米帶的橫觀各向同性壓痕中最大加載力和加載曲線指數(shù)分別與彈性模量之間的無量綱方程。在反向分析中,通過對分散在硅基底上一定寬厚比的