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

دسته: فنی و مهندسی
بازدید: 66 بار
فرمت فایل: doc
حجم فایل: 152 کیلوبایت
تعداد صفحات فایل: 30

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

قیمت فایل فقط 3,000 تومان

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:

(1-5)                              

وقتی كه  شعاع انحنای فشار باریكة اولیه،‌ مستقیم فرض شود.

اندازه گیری مستقیم كرنش با متد بارگیری مستقیم علیرغم مشكلات زیادی كه وابسته به زیاد شدن لایه ها است، بكار می رود. طرح یكی از سیستمهایی كه استفاده می‎شود در شكل (1-5) نشان داده شده است (این طرح در اصل برای مطالعات تاره ها طراحی شده بود ولی بعدها برای كار لایه ها تعدیل شد).

-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.

شكست فشار به روشی بسیار ابتكاری توسط باریكه در سال 1959 اندازه گیری شده است. در این روش لایه ها روی یك چرخانة استوانه ای ته نشین می‎شوند. سرعت چرخانه آنقدر افزایش پیدا می‌كند تا اینكه لایه ها می شكنند. تكنیك برجسته ای كه در بالا ذكر شد هنوز هم به كار گرفته می‎شود. این مشخص شده كه در نقره و نیكل چند بلوری عموماً شكست كرنش به ضخامت بستگی دارد؛ ولی این بستگی به ضخامت در مس مشاهده نمی‎شود. برای لایه های طلا یك تناقض و ناسازگاری مشاهده می گردد: تعدادی از مشاهده گران (آزمایش كنندگان) وابستگی به ضخامت را مشاهده كرده اند در حالیكه عده ای دیگر به چنین وابستگی ای دست نیافته اند.

ما از راهی معمولی و ساده می توانیم دریابیم كه چرا مقاومت لایه ها ممكن است نسبت به تودة مواد بیشتر باشد. شكست و رد وابستگی نمونه ها به انتشار ناجایگزینی و محدودیت ضخامت لایه ها به شدت این حركت را مهار كرد (جلوی این روش نتیجه گیری را گرفت). به هر صورت، مدل نظری دقیقی كه بتواند قسمت وسیعی از تغییرات نتایج را در بربگیرد وجود ندارد. در بعضی موارد لایه ها تقریباً در خلأ ناكافی تهیه و آماده می‎شوند و این باعث ایجاد اكسید روی سطح لایه می‎شود. در روشهای مشابهی كه اطمینان وجود دارد كه مقاومت رشته های یك فلز معین وابسته به اكسید سطح است این می‎تواند مقاومت بالای لایه ها را توجیه می‌كند. از مورد لایه های طلا این واضح و روشن می‎شود كه فاكتورها و عوامل دیگری نیز روی مقاومت لایه ها تأثیر دارند: در وقتی كه لایه های طلا هم مقاومت بالایی از خود نشان می دهند و هم سطح آنها فاقد اكسید است.

وقتی لایه ها روی بستری بی شكل و غیرمتبلور در فرودی عادی (نرمال) رسوب می‌كنند فشار همسانگرد است. توزیع ناهمسانگرد فشار در لایه هایی كه شكل گیری آنها به صورت رسوب در حالت غیرعادی بوده است مشاهده می‎شود. با مطالعات و بررسی هایی كه به وسیله میكروسكوپ های الكترونی انجام شده مشخص شده است كه در ساختار چنین لایه هایی نامتقارنی مولكولی وجود دارد، بنابراین ایجاد فشار ناهمسانگرد غیرمنتظره نیست.

بررسی كنش و رفتار مكانیكی مواد:

لایه های نازك یكی از اجزاء لازمه ابزارهای الكترونیكی و صنایع پیشرفته می باشند. شناخت نحوه شكست این لایه ها، بویژه جدا شدن لایه ها نیازمند درك رفتار مكانیكی این لایه ها می‎باشد. علاوه بر لایه های نازك فلزی، هم اكنون انواع و اقسام لایه های نازك غیرفلزی در محصولات پیشرفته تجاری مورد استفاده قرار می گیرند. خواص مكانیكی لایه های نازك در طی سالهای اخیر به علت استفاده های فراوان از این مواد در مدارهای منسجم (میكروالكترونیك) و صفحه های مغناطیسی اهمیت فراوانی یافته است.

1- مدارهای منسجم میكروالكترونیكی:

در این بخش مشكلات لایه های نازك ناشی از تنشها و رفتارهای مكانیكی و همچنین ساختار مدارهای منسجم مانند ترانزیستورهای نیمه هادی فلز- اكسید (CMOS) بررسی خواهد شد.

مواد مزبور به شكل لایه نازك و با ضخامتی از چند نانومتر تا حدود یك میكرومتر هستند. لازم به ذكر است كه انواع متنوعی از مواد با خواص مكانیكی، فیزیكی و گرمایی مختلف برای ساخت این ساختار مورد استفاده قرار گرفته اند. این مواد شامل نیمه هادیها (كه بخش فعالی از وسیله هستند)، فلزات (كه به عنوان هادی جریان برق از یك بخش به بخش دیگر سازه عمل می‌كنند)، دی اكسید سیلیكون پخته شده، شیشه های پاسیو و دیگر مواد دی الكتریك می باشند. مواد اخیر موجب می گردند كه عایق الكتریكی از یك بخش به بخش دیگر ساختار منتقل شده و در برخی از مواقع محافظت مكانیكی از زیركارها مانند مواد فعال الكتریكی را نیز به عهده دارند.

تك كریستالها، چند كریستالها و مواد آمورف نیز جزو این گروه می باشند. به عنوان مثال،‌ پلی كریستال سیلیكون با ساختار معمولی در سیستم های ریز الكترومكانیكی مانند سنسورهای فشار و شتاب سنجها بكار می رود. بسیاری از این وسایل دارای عملكردهای مكانیكی بوده و بنابراین خواص مكانیكی آنها مورد توجه می‎باشد. از نقطه نظر مكانیكی، رفتار سیلیكونهای پلی كریستالی از دو جهت عمده با رفتار مكانیكی فلزات متفاوت است. پلی سیلیكونها بسیار تردتر و همچنین ثابت دی الكتریك پائین آنها هم اكنون از موضوعات مهم تحقیقات سازندگان چیپهای نیمه هادی می‎باشد. از آنجائیكه ساختار چند لایه و به هم متصل چیپهای پیشرفته مدارهای منسجم حاوی چند نوع از مواد مختلفی می باشد كه تحت تنشهای گرمایی هستند، رفتار مكانیكی این لایه های ویژه دی الكتریك حائز اهمیت است.

جهت دریافت فایل مقاله بررسی پوشش‌های لایه نازك، كاربرد خواص مكانیكی و روش‌های اندازه‌گیری لطفا آن را خریداری نمایید

قیمت فایل فقط 3,000 تومان

برچسب ها : تحقیق بررسی پوشش‌های لایه نازك، كاربرد خواص مكانیكی و روش‌های اندازه‌گیری , پروژه بررسی پوشش‌های لایه نازك، كاربرد خواص مكانیكی و روش‌های اندازه‌گیری , مقاله بررسی پوشش‌های لایه نازك، كاربرد خواص مكانیكی و روش‌های اندازه‌گیری , دانلود تحقیق بررسی پوشش‌های لایه نازك، كاربرد خواص مكانیكی و روش‌های اندازه‌گیری , بررسی پوشش‌های لایه نازك، كاربرد خواص مكان