مقاله بررسی پوشش‌های لایه نازک، کاربرد خواص مکانیکی و روش‌های اندازه‌گیری در 30 صفحه ورد قابل ویرایش

مقاله بررسی پوشش‌های لایه نازک، کاربرد خواص مکانیکی و روش‌های اندازه‌گیری در 30 صفحه ورد قابل ویرایش

خواص مکانیکی لایه ها

ترکیب عمومی (طرح عمومی)

رفتار مکانیکی لایه ها از دو دیدگاه اصلی دارای اهمیت است. در اصل،‌ مطالعه و فهمیدن چنین رفتارهایی می‎تواند منجر به درک بهتر ما از خواص تودة مواد شود. در عمل کار رضایت بخش بسیاری از قطعات لایه ای به شکل و ترتیب قرار گرفتن لایه های پایدار- که می‎توانند در برابر تاثیرات محیط زیست تاب بیاورند- بستگی بحرانی دارد.

مانند خیلی از خواص دیگر لایه ها، خواص مکانیکی لایه ها هم به چند تایگی معمولی فاکتورهای وابسته در آماده سازی آنها بستگی دارد. به دلیل مشکلات تجربی و محدودیت های موجود در آزمایشها، اکثریت کار انجام شده روی خواص مکانیکی روی لایه های چند بلوری انجام گرفته و این به خاطر ساختار مختلط بیشتر لایه ها است. مطالعاتی دربارة برآراستی لایه ها انجام شده، اما طبیعت اندازه گیری دقیق،‌ که مستلزم استخراج اطلاعات خواص مکانیکی است،‌ و عدم قطعیت مشکلاتی را در این مطالعات ایجاد می‌کند.

بیشتر مطالعات انجام شده دربارة لایه های فلزی بوده اند و به مواد دی الکتریک که در قطعات الکتریکی و اپتیکی گوناگون اهمیت دارند نیز توجه شده است. اندازه گیری ها شامل فشار (تنش) و کرنش، خزش، رفتار قالب پذیری و نرمی، قدرت شکست و در پایین ترین سطح و کمترین حد شامل سختی می‎شوند. مدلهای تئوری گوناگونی پیشنهاد شده اند که اگرچه در این مرحله حتی در جزئیات با تجربه توافق دارند ولی آنها را در نظر نمی گیریم. با وجود این، یک اصول عمومی وجود دارند که به عنوان راهنما برای کارهای بعدی بکار گرفته می‎شوند.

وقتی لایه ها با تبخیر گرمایی، یا با تجربه بخار روی یک بستر گرمایی، شکل می گیرند، آنگاه اگر ضریب انبساط لایه ها و بستر گرمایی یکسان باشد وقتی سیستم تا دمای اتاق سرد می شود، یک فشار گرمایی ایجاد شده و پیشرفت می‌کند. این اثر- که در بسیاری از موارد اتفاق می افتد- خودش را به شکل جداسازی لایه ها از سطح به وضوح نشان می‎دهد. در حقیقت هنگامی که بستر گرمایی در دمای اتاق است، فشار گرمایی ذخیره شده در لایه های رسوبی رابا هیچ وسیله ای نمی توان آشکار کرد. دمایی که لایه ها در آن شکل می گیرند، از آنجایی که مفهوم بد تعریفی است، ممکن است با دمای بستر گرمایی تفاوت داشته باشد. مخصوصا وقتی که اتمهای چگالیده با یک سرعت بالای گرمایی وارد می‎شوند: اثر «دما»ی لایه های چگالیده به عاملهای تعادل که گرمای مادة چگال را کنترل می‌کنند بستگی دارد و این عاملها معمولاً به سختی قابل تشخیص هستند. قستمی از دمای سطح بستر گرمایی توسط تابشهای دریافت شده از منبع تعیین می‎شود و قسمتی از آن را گرمای نهانی که توسط لایه های چگالیده داده شده تعیین می‌کند. وقتی ضخامت لایه های فلزی افزایش پیدا می کند، کسر بزرگی از انرژی گرمایی که از بستر گرمایی تابش می کند ممکن است بازتابیده شود. بعلاوه وقتی ثابتهای اپتیکی لایه های بسیار نازک با ضخامت به سرعت (و اغلب با رفتاری بسیار پیچیده) تغییر می‌کنند این اثر به دشواری قابل تشخیص است. قبل از بحث کردن دربارة جزئیات این اثر،‌ می‎پردازیم به روشهای تجربی ای که برای مطالعه خواص مکانیکی لایه های نازک به کار می روند.

2-5) تکنیک های تجربی

الف) اندازه گیری تنش و کرنش

اندازه گیری تنش (فشار) در لایه ها معمولاً با تکنیک باریکه- خمش انجام می‎شود. تکنیکی که در آن لایه ها روی یک باریکة مستطیلی نازک ته نشین شده و رسوب می‌کنند. در اندازه گیری انحرافهای کوچکی که در تداخل سنجی،‌ ظرفیت و نظم و ترتیب الکترومکانیکی به کار گرفته شده رخ می‎دهد هر تغییری می‎تواند در روشها ایجاد شود. در بیشتر موارد حل عمومی برای خمش باریکة مرکب از دو ماده با خواص الاستیکی متفاوت، تا وقتی که ضخامت لایه در برابر ضخامت باریکه کم است، مورد نیاز نمی باشد.

اگر لایه ها به طور ثابتی مقید به بستر گرمایی باشند و اگر شارش نرم و قالب پذیری در سطح میانی به وجود نیاید آنگاه برای ضخامت باریکه (d) ، مدول یانگ (Y)، نسبت پواسون () و فشار (S) در ضخامت لایه (t) داریم:

4-5) رفتارهای کشسان و قالب پذیری لایه ها

مطالعات رفتار تنش- کرنش لایه ها اغلب در آغاز بارگیری منجر به یک ارزش کم (مقدار کم) برای ضریب کشسانی می‎شود و بعد ادامه پیدا می کند با یک ارزش (مقدار) میانی در تخلیه ها و دوباره بارگیری بعدی. این کاملاً مشخص نیست که آیا رفتار آغازی با خزش و لغزش در روشهای استفاده شده برای نگهداری لایه ها رابطه دارد یا نه. نتایج بدست آمده از آزمایشهای پیشرفته رفتارهای مشابهی را نشان می دهد، اگرچه ضریب نخستین بارگیری نزدیک تر است به مقدار کپه ای از روشهای ماشین کششی. لایه های چند بلوری تشکیل شده توسط تبخیر گرمایی، به طور معمول ضریب کشسانی نزدیکتری به ضریب کشسانی تودة ماده دارند، به عبارت دیگر، ضریب کشسانی کم و پایین در لایه های رسوبی شیمیایی و همچنین در لایه های الکترولیتی مشاهده شده اند. در مورد لایه هایی که از طریق شیمیایی شکل گرفته اند، تفاوت در رفتارها احتمالا به دلیل وجود ناخالصی ها در لایه ها می‎باشد.

از هنگامی که رفتار خزش در لایه ها مشاهده گردیده است، این هنوز یک پرسش مطرح است. مدارکی هم از لایه های رسوب کردة شیمیایی و هم از لایه های طلای برآراستی وجود دارد که خزش در آنها اتفاق نمی افتد. در نقطه ای که لایه ها می شکنند به طور کامل رفتار الاستیکی و کشسان مشاهده می‎شود. دو دلیل برای ایجاد خزش در مشاهدات وجود دارد. یکی اینکه این خزش ناشی از نظم داخلی در لایه هاست و دیگر اینکه ناشی از لغزش لایه ها در نگهدارنده می‎باشد. اگرچه ممکن است بعضی از مشاهدات دلیل موجهی برای این راه ارائه کنند،‌ با این حال به نظر می رسد که این بدیهی است که خزش خالص اتفاق می افتد در لایه های تبخیری در بیشتر راهها (روشها)یی که مشخص است که برای رولهای فلزی ورقه شده و نمونه های کپه ای دیگر اتفاق می افتد.

در فشار بالای کافی، جایگزیده شدن بی شکل و نرمی و قالب پذیری در لایه ها منجر به کاهش ضخامت لایه می‎شود و همچنین یک صعود نتیجه بخش در مرتبة تنش ایجاد می‌کند. ناجایگزیدگی هسته ای در مرزهای بلورهای داخلی،‌ باعث سر خوردن و خزیدن سطوح می‎شود و حتی شکافهای میکروسکوپی در لایه ها ایجاد می‌کند. مرتبه فشاری که باعث ایجاد چنین اثری می‎شود در بسیاری از موارد خیلی بیشتر از انواع مشاهده شده در نمونه های توده ای تابکاری شده است و اغلب به طور عمده و قابل توجهی از مواد دریافت شده یا سردکاری شده بیشتر است.

2-1-4 تداخل نوری:

تداخل نوری، نماینده روش دیگری برای سنجش میزان تغییر در مقدار قوس زیر کار می‌باشد. با یک شمارش ساده از حلقه‌های، تداخل می‌توان مقدار قوس زیرکار را تعیین نمود. این روش در حالاتی که تسهیلات دیگری جهت سنجش در دسترس نبوده و یا اگر قوی القایی کاملاً بزرگ نباشد، ارجحیت دارد. روش تداخل می‌تواند بعنوان یک روش سنجش سریع و کمی قابل مقایسه با روش اسکن لیزری که متعاقباً توضیح داده خواهد شد، مورد استفاده قرار گیرد.

3-1-4 اسکن لیزری:

روش اسکن لیزری متداول‌ترین روش سنجش تغییرات قوس زیرکار ناشی از تنشهای موجود در لایه نازک است. ابتدا یک نور لیزری از سطح قوس زیرکار، با زوایه که بستگی به جهت و سمت و سوی سطح دارد، منعکس می‌گردد. با حرکت نور لیزری یا اسکن لیزری به سوی یک نقطه جدید، اگر زیر کار قوس داشته باشد، نور با زاویه مختلفی منعکس می‌گردد. یک نورسنج حساس به وضعیت هندسی می‌تواند برای سنجش تغییر زاویه اشعه لیزر مورد استفاده قرار گیرد. فلین و همکاران یک اجزا اسکن لیزری ساختند که با استفاده از یک آینه گردان، اشعه لیزر را بر روی زیرکار اسکن می‌کند.

برای اینکه اشعه لیزر در تمامی نقاط، بر روی سطح زیرکار تحت اسکن عمود باشد، از یک لنز استفاده می‌شود. این لنز باعث می‌گردد تا اشعه منعکس شده از سطح زیرکار در یک نقطه بر روی نورسنج حساس به وضعیت (درصورتیکه زیرکار کاملاً صاف باشد) متمرکز گردد هنگامی که زیر کار قوس داشته باشد، اشعه برگشتی در نقطه دیگری از نورسنج (به هنگام حرکت اشعه بر روی سطح زیرکار)‌ متمرکز می‌گردد. این حرکت خطی که توسط نورسنج شناسایی می‌گردد، می‌تواند با تغییر زاویه اشعه برگشتی کالیبره شده و به نوبه خود برای یافتن مقدار قوس زیرکار بکار رود.