مقاله بررسی پوشش‌های لایه نازك، كاربرد خواص مكانیكی و روش‌های اندازه‌گیری

مقاله بررسی پوشش‌های لایه نازك، كاربرد خواص مكانیكی و روش‌های اندازه‌گیری در 30 صفحه ورد قابل ویرایش  

خواص مكانیكی لایه ها

تركیب عمومی (طرح عمومی)

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

مانند خیلی از خواص دیگر لایه ها، خواص مكانیكی لایه ها هم به چند تایگی معمولی فاكتورهای وابسته در آماده سازی آنها بستگی دارد. به دلیل مشكلات تجربی و محدودیت های موجود در آزمایشها، اكثریت كار انجام شده روی خواص مكانیكی 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،‌ كه مستلزم استخراج اطلاعات خواص مكانیكی است،‌ و عدم قطعیت مشكلاتی را در این مطالعات ایجاد می‌كند.

بیشتر مطالعات انجام شده دربارة لایه های فلزی بوده اند و به مواد دی الكتریك كه در قطعات الكتریكی و اپتیكی گوناگون اهمیت دارند نیز توجه شده است. اندازه گیری ها شامل فشار (تنش) و كرنش، خزش، رفتار قالب پذیری و نرمی، قدرت شكست و در پایین ترین سطح و كمترین حد شامل سختی می‎شوند. مدلهای تئوری گوناگونی پیشنهاد شده اند كه اگرچه در این مرحله حتی در جزئیات با تجربه توافق دارند ولی آنها را در نظر نمی گیریم. با وجود این، یك اصول عمومی وجود دارند كه به عنوان راهنما برای كارهای بعدی بكار گرفته می‎شوند.

وقتی لایه ها با تبخیر گرمایی، یا با تجربه بخار روی یك بستر گرمایی، شكل می گیرند، آنگاه اگر ضریب انبساط لایه ها و بستر گرمایی یكسان باشد وقتی سیستم تا دمای اتاق سرد می شود، یك فشار گرمایی ایجاد شده و پیشرفت می‌كند. این اثر- كه در بسیاری از موارد اتفاق می افتد- خودش را به شكل جداسازی لایه ها از سطح به وضوح نشان می‎دهد. در حقیقت هنگامی كه بستر گرمایی در دمای اتاق است، فشار گرمایی ذخیره شده در لایه های رسوبی رابا هیچ وسیله ای نمی توان آشكار كرد. دمایی كه لایه ها در آن شكل می گیرند، از آنجایی كه مفهوم بد تعریفی است، ممكن است با دمای بستر گرمایی تفاوت داشته باشد. مخصوصا وقتی كه اتمهای چگالیده با یك سرعت بالای گرمایی وارد می‎شوند: اثر «دما»ی لایه های چگالیده به عاملهای تعادل كه گرمای مادة چگال را كنترل می‌كنند 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 كه توسط لایه های چگالیده داده شده تعیین می‌كند. وقتی ضخامت لایه های فلزی افزایش پیدا می كند، كسر بزرگی از انرژی گرمایی كه از بستر گرمایی تابش می كند ممكن است بازتابیده شود. بعلاوه وقتی ثابتهای اپتیكی لایه های بسیار نازك با ضخامت به سرعت (و اغلب با رفتاری بسیار پیچیده) تغییر می‌كنند این اثر به دشواری قابل تشخیص است. قبل از بحث كردن دربارة جزئیات این اثر،‌ می‎پردازیم به روشهای تجربی ای كه برای مطالعه خواص مكانیكی لایه های نازك به كار می روند.

2-5) تكنیك های تجربی

الف) اندازه گیری تنش و كرنش

اندازه گیری تنش (فشار) در لایه ها معمولاً با تكنیك باریكه- خمش انجام می‎شود. تكنیكی كه در آن لایه ها روی یك باریكة مستطیلی نازك ته نشین شده و رسوب می‌كنند. در اندازه گیری انحرافهای كوچكی كه در تداخل سنجی،‌ ظرفیت و نظم و ترتیب الكترومكانیكی به كار گرفته شده رخ می‎دهد هر تغییری می‎تواند در روشها ایجاد شود. در بیشتر موارد حل عمومی برای خمش باریكة مركب از دو ماده با خواص الاستیكی متفاوت، تا وقتی كه ضخامت لایه در برابر ضخامت باریكه كم 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 باریكه (d) ، مدول یانگ (Y)، نسبت پواسون () و فشار (S) در ضخامت لایه (t) داریم:

4-5) رفتارهای كشسان و قالب پذیری لایه ها

مطالعات رفتار تنش- كرنش لایه ها اغلب در آغاز بارگیری منجر به یك ارزش كم (مقدار كم) برای ضریب كشسانی می‎شود و بعد ادامه پیدا می كند با یك ارزش (مقدار) میانی در تخلیه ها و دوباره بارگیری بعدی. این كاملاً مشخص نیست كه 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 نزدیك تر است به مقدار كپه ای از روشهای ماشین كششی. لایه های چند بلوری تشكیل شده توسط تبخیر گرمایی، به طور معمول ضریب كشسانی نزدیكتری به ضریب كشسانی تودة ماده دارند، به عبارت دیگر، ضریب كشسانی كم و پایین در لایه های رسوبی شیمیایی و همچنین در لایه های الكترولیتی مشاهده شده اند. در مورد لایه هایی كه از طریق شیمیایی شكل گرفته اند، تفاوت در رفتارها احتمالا به دلیل وجود ناخالصی ها در لایه ها می‎باشد.

از هنگامی كه رفتار خزش در لایه ها مشاهده گردیده است، این هنوز یك پرسش مطرح است. مداركی هم از لایه های رسوب كردة شیمیایی و هم از لایه های طلای برآراستی وجود دارد كه خزش در آنها اتفاق نمی افتد. در نقطه ای كه لایه ها می شكنند به طور كامل رفتار الاستیكی و كشسان مشاهده می‎شود. دو دلیل برای ایجاد خزش در مشاهدات وجود دارد. یكی اینكه این خزش ناشی از نظم داخلی در لایه هاست و دیگر اینكه ناشی از لغزش لایه ها در نگهدارنده می‎باشد. اگرچه ممكن است بعضی از مشاهدات دلیل موجهی برای این راه ارائه كنند،‌ با این حال به نظر می رسد كه این بدیهی است كه خزش خالص اتفاق می افتد در لایه های تبخیری در بیشتر راهها (روشها)یی كه مشخص است كه برای رولهای فلزی ورقه شده و نمونه های كپه ای دیگر اتفاق می افتد.

در فشار بالای كافی، جایگزیده شدن بی شكل و نرمی و قالب پذیری در لایه ها منجر به كاهش ضخامت لایه می‎شود و همچنین یك صعود نتیجه بخش در مرتبة تنش ایجاد می‌كند. ناجایگزیدگی هسته ای در مرزهای بلورهای داخلی،‌ باعث سر خوردن و خزیدن سطوح می‎شود و حتی شكافهای میكروسكوپی در لایه ها ایجاد می‌كند. مرتبه فشاری كه باعث ایجاد چنین اثری می‎شود در بسیاری از موارد خیلی بیشتر از انواع مشاهده شده در نمونه های توده ای تابكاری شده است و اغلب به طور عمده و قابل توجهی از مواد دریافت شده یا سردكاری شده بیشتر است.

2-1-4 تداخل نوری:

تداخل نوری، نماینده روش دیگری برای سنجش میزان تغییر در مقدار قوس زیر كار می‌باشد. با یك شمارش ساده از حلقه‌های، تداخل می‌توان مقدار قوس زیركار را تعیین نمود. این روش در حالاتی كه تسهیلات دیگری جهت سنجش در دسترس نبوده و یا اگر قوی القایی كاملاً بزرگ نباشد، ارجحیت دارد. روش تداخل می‌تواند بعنوان یك روش سنجش سریع و كمی قابل مقایسه با روش اسكن لیزری كه متعاقباً توضیح داده خواهد شد، مورد استفاده قرار گیرد.

3-1-4 اسكن لیزری:

روش اسكن لیزری متداول‌ترین روش سنجش تغییرات قوس زیركار ناشی از تنشهای موجود در لایه نازك است. ابتدا یك نور لیزری از سطح قوس زیركار، با زوایه كه بستگی به جهت و سمت و سوی سطح دارد، منعكس می‌گردد. با حركت نور لیزری یا اسكن لیزری به سوی یك نقطه جدید، اگر زیر كار قوس داشته باشد، نور با زاویه مختلفی منعكس می‌گردد. یك نورسنج حساس به وضعیت هندسی می‌تواند برای سنجش تغییر زاویه اشعه لیزر مورد استفاده قرار گیرد. فلین و همكاران یك اجزا اسكن لیزری ساختند كه با استفاده از یك آینه گردان، اشعه لیزر را بر روی زیركار اسكن می‌كند.

برای اینكه اشعه لیزر در تمامی نقاط، بر روی سطح زیركار تحت اسكن عمود باشد، از یك لنز استفاده می‌شود. این لنز باعث می‌گردد تا اشعه منعكس شده از سطح زیركار در یك نقطه بر روی نورسنج حساس به وضعیت (درصورتیكه زیركار كاملاً صاف باشد) متمركز گردد هنگامی كه زیر كار قوس داشته باشد، اشعه برگشتی در نقطه دیگری از نورسنج (به هنگام حركت اشعه بر روی سطح زیركار)‌ متمركز می‌گردد. این حركت خطی كه توسط نورسنج شناسایی می‌گردد، می‌تواند با تغییر زاویه اشعه برگشتی كالیبره شده و به نوبه خود برای یافتن مقدار قوس زیركار بكار رود.