单晶硅纳米力学性能的测试(4)

单晶硅纳米力学性能的测试

第7期

　　　　　　　　赵宏伟,等:单晶硅纳米力学性能的测试

1605

取。尽管用作压头材料的单晶金刚石硬度极高,但在压头与试件的接触过程中,理论上压头和试件均会发生不同程度的延性变形,故定义折算模量(Reducedmodulus)如下:[14,17]

Er

如图2所示。采用上述方法,对单晶硅薄片(100)晶面进行了不同载荷条件的压痕实验,图4为最大载荷为1000mN时,压痕实验完成后在电镜下测得的试件表面压痕区域附近的形貌。从图4可以看出,此时单晶硅表面出现了裂纹、甚至脆性断裂,裂纹方向除与压头形状有关外,还与单晶硅晶体各向异性联系紧密。

通过一系列实验发现,针对实验采用的单晶硅材料出现裂纹时的临界压痕载荷为80mN左右。图5是在保证压痕过程中单晶硅试件不出现裂纹的前提下,采用不同载荷对单晶硅(100)晶面进行的多次压痕实验测得的试件表面压痕形貌,其中沿X向10组测试结果分别为载荷由20mN增大到80mN的情况

,沿Y=

2Es

+

2

Ei

,(1)

式中:Er为折算模量;Es为试件的杨氏模量;Ei为压头的杨氏模量;vs为试件的泊松比;vi为压头的泊松比。

折算模量与压痕曲线卸载部分有如下的关系:

Er=

2

S,(2)

式中:A为压头此刻与试件的接触面积;S为测量刚度,卸载曲线上最大加载位置处的正切值,S可用下式表示

S=

dh

Pmax

,式中:P。

,A=24.5hc,hc=h-0.75

,S

2

(4)(5)

图4　(100)晶面加载力1000mN的压痕形貌

Fig.4　Indentationmorphologyof(100)crystal

planewhenloadingforceis1000mN

式中:hc为此刻压头与试件的接触深度。

根据相关力学理论,材料的硬度可以表示为:

H=

.A

(6)

结合上述理论基础,借助纳米压痕试验测得的压痕曲线和相关数据,可计算出被测材料试件的杨氏模量、硬度等参数,并可考察蠕变等特性。此外通过SEM/TEM、Raman等测试仪器对试件压痕表面进行观测分析,还可研究材料的裂纹、应力分布、晶体结构等情况,从而对材料的微观特性进行综合分析评价。

4　实验结果

　　本文针对单晶硅薄片进行的纳米压痕测试在图1所示的Elionix公司的ENT21100型纳米压痕仪上进行,所采用的压头材料为单晶金刚石,形状为尖端四面体Vickers型压头,压头几何形状

图5　(100)晶面不同载荷的压痕形状

Fig.5　Indentationshapeof(100)crystalplanewith

differentloads

结合图4和图5可以发现:在较高载荷条件下,单晶硅出现了明显的裂纹甚至断裂破碎(图