纳米压痕法表征压电薄膜/纳米带的力电耦合性能

论文摘要

纳米压痕技术具有灵活方便、精确性高以及对样品的尺寸要求小的特点,是表征材料机械性能的常用方法。但通常在薄膜或者纳米带压痕实验过程中,基底会对薄膜或纳米带的力学性能产生影响,因此传统测试方法的实验结果反映的是薄膜/纳米带和基底体系的综合性能,而不是纳米带/薄膜材料的本征性能。如何考虑基底效应的影响,表征薄膜与纳米带的力学性能,现已成为微电子材料领域研究的关键问题之一。本文把薄膜/纳米带和基底体系的纳米压痕加载曲线的模型进行修正,将加载曲线拟合成指数函数形式,获得加载曲线指数x和最大加载力Fmax,进而研究基底对薄膜或纳米带力学性能表征的影响。在考虑基底效应的情况下,结合有限元和纳米压痕实验,确定了PZT压电薄膜的力电耦合性能和纳米带的力学性能。主要研究内容和结果如下:1.考虑基底效应的影响,采用有限元和纳米压痕实验相结合的方法,确定了横观各向同性PZT薄膜的力电耦合参数。（1）弹性参数的确定。在正向分析中,分别忽略和考虑PZT薄膜的压电效应,通过有限元模拟和无量纲分析得到了最大加载力、加载曲线指数与膜基体系杨氏模量之间的无量纲方程。在反向分析中,通过沉积在硅基底上PZT薄膜的纳米压痕实验,得到压痕加载曲线,将压痕曲线中的最大加载力Fmax、加载曲线指数x以及相关的实验参数从压痕实验中提取出来,把这些数据代入正向分析所建立的无量纲方程中,求得忽略和考虑压电效应时PZT薄膜的弹性模量。（2）压电参数的确定。在正向分析中,对于横观各向同性压电薄膜,通过有限元模拟和无量纲分析得到了最大加载力Fmax和加载曲线指数x与实验参数Fmax和x之间的无量纲方程。在反向分析中,通过PZT薄膜的纳米压痕实验,可得到压痕加载曲线,将这些数据代入正向分析所建立的无量纲方程中,进而求得PZT薄膜的压电系数。2.考虑基底效应的影响,通过有限元法讨论了纳米带不同宽厚比对压痕响应的影响。然后结合纳米带压痕实验,表征了一定宽厚比ZnO和ZnS纳米带的杨氏模量。在正向分析中,建立最大加载力、加载曲线指数与纳米带宽厚比及其杨氏模量之间的无量纲方程。在反向分析中,通过ZnO和ZnS纳米带的纳米压痕实验,将实验数据代入正向分析所建立的无量纲方程中,求得ZnO和ZnS纳米带的宽厚比和杨氏模量。3.考虑基底效应的影响,确定了横观各向同性ZnO纳米带弹性模量。在正向分析中,通过有限元模拟和无量纲分析,建立已知宽厚比纳米带的横观各向同性压痕中最大加载力和加载曲线指数分别与弹性模量之间的无量纲方程。在反向分析中,通过对分散在硅基底上一定宽厚比的ZnO纳米带进行纳米压痕测试,将这些实验压痕数据代入正向分析所建立的无量纲方程中, ZnO纳米带的弹性模量即可求得。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 低维微纳电子材料
• 1.1.1 低维微纳电子材料简介
• 1.1.2 低维微纳电子材料的力学性能表征
• 1.2 纳米压痕测试简介
• 1.3 压痕数值模拟
• 1.4 本论文的选题依据和主要内容
• 1.4.1 本文的选题依据
• 1.4.2 本文的主要工作
• 第2章 横观各向同性薄膜PZT 的力电耦合参数
• 2.1 横观各向同性薄膜压痕响应
• 2.1.1 横观各向同性材料描述
• 2.1.2 基底效应下的加载关系
• 2.2 估算弹性参数
• 2.2.1 正向分析
• 2.2.2 反向分析
• 2.2.3 求解PZT 薄膜的弹性参数
• 2.3 估算压电参数
• 2.3.1 正向分析
• 2.3.2 反向分析
• 2.3.3 求解 PZT 薄膜的压电参数
• 2.4 本章小结
• 第3章 纳米带宽厚比对其杨氏模量的影响
• 3.1.正向分析
• 3.1.1 无量纲分析
• 3.1.2 有限元处理
• 3.1.3 数值压痕纳米加载曲线
• 3.1.4 建立无量纲方程
• 3.2 反向分析
• 3.2.1 反向分析流程图
• 3.2.2 应用到ZnO 和ZnS 纳米带
• 3.3 确定纳米带的杨氏模量
• 3.3.1 确定最终解
• 3.3.2 解的合理性讨论
• 3.4 本章小结
• 第4章 横观各向同性ZnO 纳米带的弹性参数
• 4.1 材料模型的描述及简化
• 4.2 正向分析
• 4.2.1 无量纲分析
• 4.2.2 有限元处理
• 4.2.3 数值加载曲线
• 4.2.4 建立无量纲函数
• 4.3 反向分析并应用到ZnO 纳米带
• 4.3.1 反向分析算法
• 4.3.2 ZnO 纳米带的弹性常数
• 4.4 ZnO 的弹性模量
• 4.4.1 弹性模量多组优化解
• 4.4.2 解的合理性讨论
• 4.5 本章小结
• 第5章 总结与展望
• 5.1 总结
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文与研究成果
• 个人简历