تحقیق مقاله پوشش های لایه نازک ، کاربرد خواص مکانیکی و روش های اندازه گیری

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 توده 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 درباره 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 درباره 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 ماده 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 درباره 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 باریکه 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 باریکه 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:

(1-5)                              

وقتی که  شعاع انحنای فشار باریکه اولیه،‌ مستقیم فرض شود.

اندازه گیری مستقیم کرنش با متد بارگیری مستقیم علیرغم مشکلات زیادی که وابسته به زیاد شدن لایه ها است، بکار می رود. طرح یکی از سیستمهایی که استفاده می‎شود در شکل (1-5) نشان داده شده است (این طرح در اصل برای مطالعات تاره ها طراحی شده بود ولی بعدها برای کار لایه ها تعدیل شد).

سیملوله الکتریکی

نمونه

ترانسفورماتور دیفرانسیلی

(شکل در فایل اصلی موجود است)

شکل 1-5- دستگاه اندازه گیری تنش- کرنش

سیم لوله/ آهنربا فشار مشخصی را به لایه ها می رساند و کشیدگی لایه به وسیله ترانسفورماتور دیفرانسیلی گزارش می‎شود. در موارد دیگر،‌ برای اندازه گیری کشیدگی های بسیار کوچک مشاهده شده از روشهای اپتیکی استفاده می‎شود در حالیکه روشهای معمولی از نوع بالا برای لایه های تقریباً ضخیم تر- در محدوده ضخامت 1/0 میکرومتر- بکار گرفته می شوند، و این به دلیل مشکلات شدید بررسی و مطالعه نمونه های نازک تر است. یک تناوب در روش بارگیری خطی این است که ببینیم کدام لایه ها در انتهای یک سیلندر زیاد شده است و توسط فشار دیفرانسیلی یک برآمدگی ایجاد کرده است. فریز های تداخلی شکل گرفته شده بین لایه و سطح مرجع یک روش حساس را برای اندازه گیری پس زدن ایجاد می‌کند. در یک تقریب ناقص ممکن است فرض شود که لایه ها به صورت یک کلاهک کروی تغییر شکل پیدا می‌کند. اگر a شعاع لایه، T0 کشش لایه با تفاضل فشار صفر و  شعاع انحنا برای فشار P استفاده شدهباشد آنگاه:

(2-5)    (شکل در فایل اصلی موجود است)                          

(3-5)   (شکل در فایل اصلی موجود است)                                    

وقتی که t ضخامت لایه، Y مدول یانگ و  نسبت پواسون باشد.

در حقیقت شکل سطح لایه ها نزدیک به سطح یک حرکت انتقالی درجه دوم است و یک اندازه بهتر از شعاع لایه با دو اندازه گیری از ارتفاع لایه در بالاتر از حد پایه بدست می آید، یکی در نقطه اوج و دیگری در ربع وتر (شکل 2-5). با توجه به شکل 2-5 شعاع انحنا توسط فرمول زیر داده می‎شود:

(4-5)                     

(شکل در فایل اصلی موجود است)        

شکل 2-5

یک روش برجسته مطالعه لایه ها، روش دقیق و شسته رفته بر آراستی رشد لایه های طلا می‎باشد. در این روش لایه ها می‎توانند روی سطح یک بلور سنگ نمک رشد کنند و فشار بسیار شدید جریان آب یک حفره در بستر (زیر تراز) ایجاد می‌کند و باقی مانده لایه ها روی بلور باقی می مانند. مشکلات معمول پیوستن لایه ها نیز قابل اجتناب هستند.

گرچه کرنش های اصلی در ریز بلورک های یک لایه ممکن است توسط پهنای الکترونی یا حلقه ها و مکانهای پراش پرتو X محدود شود ولی اغلب جدا کردن چنین اثرهای مشخصی از اثرهایی در سایز بلورک ها دشوار است.

ب) اندازه گیری شکست کرنش:

برای مطالعه شکست لایه ها در زیر فشار و درک روند آن دو روش به کار می رود. در روش اول که برای مطالعه لایه های ته نشین شده استفاده می‎شود، یک چرخه استوانه‌ای (استوانه چرخان) با سرعت زیادی که سبب شکست می‎شود می چرخد. [چسبندگی و کشش سطحی بین لایه ها و چرخانه کم است].

در روش دوم، که در میکروسکوپ الکترونی از آن استفاده می شود، لایه روی یک صفحه شکاف دار (شکل 3-5) در انتهای جایی که نیروها از هم جدا می‎شوند ثابت می‎شود. گرچه از این راه شکست فشارها به طور تقریبی به دست می‎آید ولی این روش از این جهت سودمند است که ساختار لایه و حرکت و جابجایی در رفتگی ها در طول آزمایش قابل مشاهده است.

(شکل در فایل اصلی موجود است)

(شکل 3-5)

3-5) فشاری که تبخیر گرمایی در لایه ها ایجاد می‌کند: (هافمن 1960)

برای نشان دادن مطلب بالا، وقتی یک لایه رسوب می‌کند روی یک بستر گرمایی؛ اگر ضریب انبساط گرمایی لایه و ماده بستر گرمایی متفاوت باشد، انتظار می رود که حالتی از فشار و تنش در لایه ها به وجود آید. اگرچه قبلاً این بدست آمده و مشخص شده که در اثر انقباض دیفرانسیلی در بسیاری از مواد یک تنش و فشار داخلی به وجود می‎آید.

نتایج مخشصی از فشار لایه های آهنی در شکل (4-5) نشان داده شده اند؛ که فشار به وجود آمده از اثر انقباض دیفرانسیلی از کل فشار مشاهده شده کسر شده است.

بزرگی فشار داخلی هم به ضخامت لایه و هم به دمای بستر گرمایی بستگی دارد و محتمل است که از ترکیب ساختار لایه ها به وجود آمده باشد.

(شکل در فایل اصلی موجود است)

(شکل 4-5)

فشار کششی در تبخیر گرمایی لایه های آهن

A حالتی است که در آن دمای بستر Cْ 100 است. B حالتی است که دمای بستر Cْ165 است و نمودار C در حالتی است که دمای بستر Cْ240 می‎باشد.

به دلیل اینکه لایه ها اغلب به صورت پیچیده روی بستر یافت می شوند، این واضح است که تغییر فشار با عمق بازتابی از تغییر ساختار لایه ها با عمق است. هم تراکم و هم کشش تنش داخلی (فشار داخلی) اغلب با وابستگی پیچیده ای به دمای بستر گرمایی در مواد مختلف یافت شده اند؛ بدین گونه که لایه ها یک فشار کششی برای رسوب گذاری زیر دمایْ100 سیلسیوس و بالاتر از دمای ْ350 درجه سانتیگراد و یک فشار تراکمی در بین این دو دما را نشان می‎دهد. دمای واقعی ای که فشار کششی به فشار تراکمی تغییر شکل می‎دهد تا حدی به آهنگ تشکیل لایه ها بستگی دارد. در حال حاضر نظریه دقیقی که دلیل موجهی برای این رفتار عمومی ارائه دهد وجود ندارد.