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薄膜厚度对Si基SiO2薄膜力学性能的影响

聂晓梦 李继军 郎风超 张伟光 赵春旺 邢永明

聂晓梦, 李继军, 郎风超, 张伟光, 赵春旺, 邢永明. 薄膜厚度对Si基SiO2薄膜力学性能的影响[J]. 机械科学与技术, 2019, 38(4): 646-651. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180211
引用本文: 聂晓梦, 李继军, 郎风超, 张伟光, 赵春旺, 邢永明. 薄膜厚度对Si基SiO2薄膜力学性能的影响[J]. 机械科学与技术, 2019, 38(4): 646-651. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180211
Nie Xiaomeng, Li Jijun, Lang Fengchao, Zhang Weiguang, Zhao Chunwang, Xing Yongming. Effect of Film Thickness on Mechanical Properties of Si-based SiO2 Thin Films[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2019, 38(4): 646-651. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180211
Citation: Nie Xiaomeng, Li Jijun, Lang Fengchao, Zhang Weiguang, Zhao Chunwang, Xing Yongming. Effect of Film Thickness on Mechanical Properties of Si-based SiO2 Thin Films[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2019, 38(4): 646-651. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180211

薄膜厚度对Si基SiO2薄膜力学性能的影响

doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180211
基金项目: 

国家自然科学基金项目 11562016

国家自然科学基金项目 11762014

国家自然科学基金项目 11762013

内蒙古自然科学基金项目 2018MS01013

内蒙古工业大学科研项目 X201713

国家留学基金项目 20145049

详细信息
    作者简介:

    聂晓梦(1992-), 硕士研究生, 研究方向为固体材料微结构, 153726497@qq.com

    通讯作者:

    李继军, 副教授, 硕士生导师, ji_jun_li@163.com

  • 中图分类号: TG147

Effect of Film Thickness on Mechanical Properties of Si-based SiO2 Thin Films

  • 摘要: 为了研究薄膜厚度对Si基SiO2薄膜力学性能的影响规律,利用纳米压痕技术及有限元模拟方法对不同厚度的Si基SiO2薄膜材料进行测试,分析了不同厚度薄膜的硬度及弹性模量等力学性能,讨论了不同压深膜厚比对不同厚度薄膜弹性恢复率的影响,并在试验的基础上,建立了有限元模型,模拟了不同厚度薄膜在相同压深下的载荷位移关系,分析了薄膜的弹性恢复性能。结果表明:SiO2薄膜越厚其弹性模量越小,而薄膜的硬度在薄膜较薄时压痕的尺寸效应更明显,并利用模拟进一步分析得出薄膜越薄弹性恢复性能越好。
  • 图  1  硬度随压深的变化

    图  2  弹性模量随压深的变化曲线

    图  3  样品Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ压深占膜厚百分比相同情况下的载荷位移曲线

    图  4  样品Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ在不同压深膜厚比下的弹性恢复率

    图  5  模型及网格划分

    图  6  不同厚薄膜压深不同时,试验与模拟载荷位移关系

    图  7  3种厚薄膜模拟固定压深50 nm载荷位移关系

    表  1  模拟材料参数

    名称 弹性
    模量/GPa
    泊松比 屈服
    强度/GPa
    切线
    模量/GPa
    SiO2薄膜 81 0.27 7.15 8.45
    Si基底 180 0.23 9.14 10.98
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    表  2  不同厚度SiO2薄膜塑性参数

    参数名称 500 nm 1000 nm 2000 nm
    弹性模量/GPa 88 81 77
    屈服强度/GPa 8.7 7.15 6.3
    切线模量/GPa 9.45 8.45 8.35
    下载: 导出CSV
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  • 收稿日期:  2018-06-10
  • 刊出日期:  2019-04-05

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