1

Jarmila Savková , Olga Bláhová

Výzkumné centrum – Nové technologieZápadočeská univerzita v Plzni

Nanoindentačné merania tenkých

vrstiev- princípy, metódy, vplyvy

2

1. História

2. Čo je nanoindentácia

3. DSI metóda

4. Faktory ovplyv ňujúce presnos ť merania

5. Meranie tenkých vrstiev

6. Záver

Obsah:

3

1. História

Sú mechanickévlastnosti ovplyvnené

rozmermi?

Povlaky pre mikroelektroniku (od r. 1980)

Ked struktúrnerozmery dosiahnurozmery atómov je

mechanické správaniekvantované?

MEMS- micro-electro-mechanical system

4

1. Materiálový výskum: optimalizácia materiálového zloženia, štruktúry, 2. Mechanika malých objemov: Porozumenie rozdielnu vo vlastnostiach

tenkých vrstiev, bodov, línii od objemového materiálu3. Materiálová fyzika: Meranie deformačných procesov ako je tvorba

dislokácii, rast trhlín, atď.

1. História

Nanoindetácia: Mechanické skúšanie materiálov od povrchu do hĺbky niekoľko µmza súčasného snímania sily a hĺbky

10010-310-610-9

mmµmnm m

nano mikromezo

makro

5

Čo je tvrdosť:

Barba (1640): „…hardness is such a property of precious stones that thosewhich file can scratch are not so classed.“

Martens (1912): Hardness is the resistance of a body against the penetrationof another (harder) body

Tvrdosť nie je možné merať ak v materiáli nezostane vtlačok,teda ak sme len v oblasti elastických deformácii.

Čo je nanoindentácia?

Konvenčná definícia:

Rozmery vtlačku sú príliš malépre vyhodnocovanie optickou mikroskopiou

1. História

6

JednoosJednoosáá napatosnapatosťť//

tlaktlak

Meranie tvrdosti

F

lA

napatie = σ = P/Adeformácia= ε = [lf-li]/li

Johannes Brinell (1880s)F= mg

Units of stress, butNOT stress,NOT a physical measureNaznačuje odolnosť vočiplastickej deformácii

10 g

D

Zaťažovanie: statickéDynamické (kmitanie, rázy)

= σ/εd

HV = 1,8544 F

d2

„Klasicky“

σ

εE

w

Re

Rm

Zať

ažen

ie F

Hĺbka h

F = k hn n ~ 2

2. Čo je nanoindentácia

( )22

2102,0102,0

dDDD

F

A

FHB

−−⋅

⋅≈⋅≈π

7

tf10 nm – 1 µm

Guľový indentor: * najprv elasická a potom plastická

deformácia* veľmi obtiažne spracovať diamant

Pyramídový indentor:

* elastická a plastická deformácia zároveň

* možné brúsiť diamant do tvaru ihlanu.

Vickers Berkovich

R

2. Čo je nanoindentácia

8

Doležitá podmienka pre porovnateľnosť :

Princíp podobnosti podľa Kicka (1885)

Hodnoty tvrdosti sú porovnateľné ak- objem premiestneného materiálu a- napäťové pole počas indentáciesú zhodné s ohľadom na hĺbku

splnené nesplnené

2. Čo je nanoindentácia

9

Významná metóda pre meranie mechanických vlastnostípovrchu (nie len tvrdosti):

Inštrumentovaná tvrdosť (Load and depth sensing indentation)

Plynulý záznam sily a hĺbky v priebehu prenikania indentora do materiálu

Štandardizovaná od r.2004 :

Macro – rozsah: sila 2N < F < 30 000 NMikro- rozsah: sila F < 2NNano – rozsah: hĺbka < 200 nm

Indentor pyramídového typu : Vickers, BerkovichIndentor guľového alebo kužeľového typu

Vickers Berkovich

2. Čo je nanoindentácia

10

Indentačnákrivka

Profil vpichu

Vtlačok

Id. elastický Id. plastický reálny

elastické a plastické vlastnostivzorky určujú tvar

indenta čnej krivky

Zať

ažen

ie F

Hĺbka h

F = k hn n ~ 2

3. DSI meranie

11

Problém: nie je meraná kontaktná plocha ale absolútna hĺbka!rozmery indentora nie sú ideálne – AC f(hC)

Dôležitý predpoklad: Kontaktná plocha pod zaťažením je totožnás indentačnou plochou po odlahčení

Nedostupné korekcie: pile up a sink in efekt

3. DSI meranie

12

Materiálové parametre určené priamo z indentačnej krivky:

Tvrdosť H

Modul pružnosti E

Indentačná práca W Wel Wpl

Relaxačný parameter RIT

Creepový parameter CIT Na ďalšie spracovanie cez vhodné modely:

Medza klzu, pevnosti

Lomová húževnatosť KIC

Deformačná krivka s - e

Odolnosť voči tepelným rázom (keramika)

Adhézne vlastnosti – adhézna pevnosť

Pevnosť interfázového rozhrania

Únavové vlastnosti

Zvyškové napätia srez

3. DSI meranie

13

3. DSI meranie Model Olivera a Pharra:

odľahčovacia krivka:

F - veľkos ť zaťaženiaC, m - konštanty závislé

na indentore

S = dF/dh - kontaktná tuhos ť

ε - geometrická konštantaε = 0,75 pre Berkovichov a

Vickersov indentorε = 0.72 pre ku žeľpod ľa ISO 14577

14

AP(h)

As(h)

As(h) kontaktná plocha

Ap(h) priemet kontaktnej plochy

Fmax

AP(h)H IT =

„Indentačná“ tvrdosť

3. DSI meranie Model Olivera a Pharra:

odľahčovacia krivka:

F - veľkos ť zaťaženiaC, m - konštanty závislé

na indentore

S = dF/dh - kontaktná tuhos ť

ε - geometrická konštantaε = 0,75 pre Berkovichov a

Vickersov indentorε = 0.72 pre ku žeľpod ľa ISO 14577

15

AP(h)

As(h)

As(h) kontaktná plocha

Ap(h) priemet kontaktnej plochy

3. DSI meranie Model Olivera a Pharra:

Suma podielu indentora (i) a vzorky

Indentačný modul pružnosti

EIT = f (C , Er , Ei , Ap)

C = dh/dF - poddajnosť kontaktuEi - modul pružnosti indentoraEr - redukovaný modul pružnosti kontaktuAp- plocha kontaktu (priemet)

Redukovaný modul pružnosti :

A

SEr 2

π=

i

i

r EEE

)1()1(1 22 νν −+−=

16

3. DSI meranie

Celková indentačná práca

Podiel elastickej indentačnej práce:

ηηηηIT = 100%total

elast

W

W

Wtotal = = Welast + Wplast∫ FdhF

Fmax

F

F

17

Faktory vplývajúce na presnos ť merania

• nulový bod – 1. kontakt• tvarová funkcia indentora • tuhosť meracieho zariadenia • termal drift• vstupné hodnoty materiálových parametrov E, n• režim skúšky (rýchlosť zaťažovania, odľahčovania, výdrže, )• creep (nízke hodnoty H/E (kovy) výdrž 8 (FS)-190 s (Al)• pile-up a sink-in efekt• povrch – kvalita, drsnosť

4. Faktory ovplyv ňujúce presnos ť merania

18

Nulový bod – 1. kontakt

korigovanénekorigované

4. Faktory ovplyv ňujúce presnos ť merania

h´=h+hi

h´- korigovaná hĺbkah – nameraná hĺbkahi – počiatočná hĺbka

19

Tvarová funkcia indentora

Indentačná hĺbka je zmenšenáopotrebením indentora

Niekoľko sto meraní medzi referenčnými meraniami zobrazenými na grafe

4. Faktory ovplyv ňujúce presnos ť merania

A/Ai

hC

20

Termal drift

21

4. Faktory ovplyv ňujúce presnos ť merania

22

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

Load

[mN

]Depth [nm]

BULK

FILM

5. Meranie tenkých vrstiev

hf

hs

h

Drsnosť

23

Využitie nanoindenta čnýcha DSI meraní

Hodnotenie vlastností

v mikro- a nano-objemoch

Vlastnosti

- elasticko-plastické

- únavové

- lomové

- creepové

- relaxácia napätia

- vnútorné pnutie

- závislosť σ – ε

- koeficient spevnenia

Objemové materiály

- premeriavanie jednotlivých fází

- hodnotenie povrchových úprav

Tenké vrstvy

- meranie neovplyvnené substrátom

Systémy tenká vrstva – substrát

- hodnotenie vplyvu substrátu

- lomové vlastnosti

- adhézia

24

Zaťaženie:

0,1 – 1960 mN(0,01 – 200 g)

Rozsah hĺbky: 10 µm

Presnosť:

Hĺbka 1 nmZaťaženie 20 µN

Nanotvrdosť: Sily ~ 10 µNHĺbky < 10 nm

+ AFM (mikroskop atómových síl)

DUH 202 ShimadzuDynamický ultra mikro tvrdomer

25

Nano Indenter XP Parametre prístrojamaximálne zaťaženie 10 N (1 000 gf)(HIGH LOAD SYSTEM)rozlíšenie 0,050 µN (0,005 mgf)max. hĺbka preniknutia indentora 500 µm rozlíšenie < 0,01 nm

Modul CSM (CONTINUOUS STIFFNESS MEASUREMENT)

Microscratch test

maximálne zaťaženie 200 mN (20 gf)

Profilometrické merania

26

oscila čné zaťaženie: frekvencia 0,05 - 200 Hzamplitúda 60 nN - 300 mN

- dynamická odozva systému- meranie kontaktnej tuhosti - hĺbková zmena mechanických

vlastností v priebehu celého zaťažovacieho procesu

CONTINUOUS STIFFNESS MEASUREMENTkontinuálne meranie tuhosti

27

Tvrdosť•Merané hodnoty tvrdosti sú porovnateľné len ak je

hf >1,5-2*polomer zaoblenia•Odstránenie vplyvu substrátu je možné pomocou

•Buckleho pravidla: hi< 1/10 hf

5. Meranie tenkých vrstiev

hf

hs

h

Hrúbka vrstvy

28

5. Meranie tenkých vrstiev

hf

hs

h

Hrúbka vrstvy

Modul pružnostiPrakticky neexistuje hĺbka indentácie kde by bolo možné vylúčiť vplyv substrátu

29

5. Meranie tenkých vrstiev

Vplyv ťahového napätia na správanie sa vrstvy s nízkou lomovou húževnatosťou. Relatívne tvrdá vrstva SiOx na mäkkom polykarbonátovomsubstráte

Praskanie

30

5. Meranie tenkých vrstiev

Lomová húževnatosť koróznej vrstvy na Zr zliatine

Praskanie

31

Praskanie

0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

Depth [um]

Load [mN]

Krivky závislosti hĺbky preniknutia na sile s maximom 3mN – skokovézmeny sú spôsobené praskaním oxidickej vrstvy na povrchu

Energia uvoľnená pri vzniku trhliny počas indentácie

5. Meranie tenkých vrstiev

32

Závery

Existujú nástroje (modely, prístroje, experimentálne postupy) na stanovenie LMV rozličných materiálov v rozsahu 10-5 – 100

mm (10 nm – 1 mm)

Existuje široká škála lokálnych mechanických vlastností, ktorésa dajú stanoviť z indentačného merania a z neho odvodenými postupmi

Experimentálne metódy: DSI, indentačná tvrdosťumožňujú merať LMV v rôzne veľkých lokalitách

DSI relatívne jednoduchá skúška

Veľké množstvo informácií

Nie úplne triviálna interpretácia výsledkov

33

ĎAKUJEM ZA POZORNOS Ť

Thanks

34

Literatúra

Pešek,L.: Nová ISO norma na stanovenie mechanických vlastnostípovlakov pomocou inštrumentovanej indentačnej skúšky tvrdosti, LMV2005

Pešek, L.: Štandardizácia v oblasti inštrumentovanej tvrdosti, LMV2004Pešek, L.: Vlastnosti etalónov pre indentačné skúšky a faktory

ovplyvňujúce presnosťmerania, LMV2005, Bláhová,O.: Experimentálni možnosti přistroje Nano Indenter XP, LMV

2005Chudoba T.: Problems and possibilities of hardness and modulus

measurements on super-hard coatings, www.asmec.deZubko, P.: Properties of powder particles measured by instrumented

indentation technique, LMV2005Buršíková, V.: Depth sensing indentation at nano- andmicroscale, LMV

2005