沉積在聚合物基底上微納米金屬薄膜的屈曲和斷裂行為研究.pdf

1、薄膜材料被廣泛應(yīng)用于微機電系統(tǒng)、原子核、太空、磁性器件、低輻射窗戶、航空航天和醫(yī)藥等重要領(lǐng)域，因此是力學(xué)、材料學(xué)、物理學(xué)、微電子學(xué)、光學(xué)以及生物醫(yī)學(xué)等諸多領(lǐng)域關(guān)注的重點之一。薄膜/基底結(jié)構(gòu)的破壞，包括薄膜的脫層、屈曲和斷裂，嚴重影響器件的可靠性。本文將采用實驗、理論分析和有限元計算結(jié)合的方法，對用磁控濺射方法沉積于聚合物基底上的微納米金屬薄膜在力、熱載荷作用及環(huán)境影響下的變形和破壞行為進行研究。
　　首先，通過原位實驗觀察單軸壓縮

2、載荷下有機玻璃基底（PMMA）上金屬膜的直線型屈曲的隧道式擴展和邊緣擴展行為，采用薄膜脫粘機理來解釋實驗現(xiàn)象。對銅膜/基底結(jié)構(gòu)進行原位單軸壓縮-卸載實驗，發(fā)現(xiàn)直線型屈曲存在不穩(wěn)定現(xiàn)象，先轉(zhuǎn)化為電話線型屈曲，最后演變成泡狀屈曲。研究表明：直線型屈曲的不穩(wěn)定主要與薄膜的殘余應(yīng)力、基底的泊松比以及薄膜沿縱向與橫向的應(yīng)力分配有關(guān)。
　　聚合物基底上薄膜的粘附能測試是一個重要的課題。本文提出一個單軸壓縮實驗和非線性數(shù)值方法相結(jié)合的方法，對T

3、i/PMMA結(jié)構(gòu)的界面性能進行了估測。實驗中，薄膜產(chǎn)生隧道式脫層屈曲，隨著整體應(yīng)變增加，由于基底的縱向拉伸變形，薄膜出現(xiàn)貫穿屈曲的橫向裂紋，并伴隨界面的二次脫層。本文建立了含有內(nèi)聚力區(qū)的三維模型，模擬薄膜屈曲、橫向斷裂以及界面脫層的全過程。通過參數(shù)分析，使有限元計算結(jié)果與實驗測試的脫層長度結(jié)果達到一致，最后確定出界面的粘附性能。
　　本文研究了力-熱耦合作用下薄膜的表、界面響應(yīng)。實驗觀察了三種不同厚度鈦膜的屈曲和橫向裂紋演化，研究

4、了在升溫過程中，薄膜的屈曲密度、橫向裂紋密度、裂紋間距和屈曲寬度的變化規(guī)律。分析了基底在力-熱耦合作用下的變形機制。建立有限元計算模型，分析了在幾何尺寸、裂紋段長度影響下，受拉基底對薄膜的應(yīng)力傳遞機制。
　　本文在上述物理條件對薄膜屈曲研究的基礎(chǔ)上，還進行了化學(xué)條件下薄膜屈曲的初步研究，用光學(xué)顯微鏡原位觀察溶劑誘導(dǎo)作用下的薄膜屈曲脫層現(xiàn)象。實驗發(fā)現(xiàn)：屈曲成核首先形成圓泡狀，然后以電話線型狀態(tài)擴展；并且呈現(xiàn)動態(tài)不穩(wěn)定性，直到溶劑揮發(fā)