پوششهاي لايه نازك، كاربرد خواص مكانيكي و روشهاي اندازه گيري

خواص مكانيكي لايه ها
تركيب عمومي (طرح عمومي)
رفتار مكانيكي لايه ها از دو ديدگاه اصلي داراي اهميت است. در اصل،‌ مطالعه و فهميدن چنين رفتارهايي مي‎تواند منجر به درك بهتر ما از خواص تودة مواد شود. در عمل كار رضايت بخش بسياري از قطعات لايه اي به شكل و ترتيب قرار گرفتن لايه هاي پايدار- كه مي‎توانند در برابر تاثيرات محيط زيست تاب بياورند- بستگي بحراني دارد.

مانند خيلي از خواص ديگر لايه ها، خواص مكانيكي لايه ها هم به چند تايگي معمولي فاكتورهاي وابسته در آماده سازي آنها بستگي دارد. به دليل مشكلات تجربي و محدوديت هاي موجود در آزمايشها، اكثريت كار انجام شده روي خواص مكانيكي روي لايه هاي چند بلوري انجام گرفته و اين به خاطر ساختار مختلط بيشتر لايه ها است. مطالعاتي دربارة برآراستي لايه ها انجام شده، اما طبيعت اندازه گيري دقيق،‌ كه مستلزم استخراج اطلاعات خواص مكانيكي است،‌ و عدم قطعيت مشكلاتي را در اين مطالعات ايجاد مي‌كند.

بيشتر مطالعات انجام شده دربارة لايه هاي فلزي بوده اند و به مواد دي الكتريك كه در قطعات الكتريكي و اپتيكي گوناگون اهميت دارند نيز توجه شده است.

اندازه گيري ها شامل فشار (تنش) و كرنش، خزش، رفتار قالب پذيري و نرمي، قدرت شكست و در پايين ترين سطح و كمترين حد شامل سختي مي‎شوند. مدلهاي تئوري گوناگوني پيشنهاد شده اند كه اگرچه در اين مرحله حتي در جزئيات با تجربه توافق دارند ولي آنها را در نظر نمي گيريم. با وجود اين، يك اصول عمومي وجود دارند كه به عنوان راهنما براي كارهاي بعدي بكار گرفته مي‎شوند.

وقتي لايه ها با تبخير گرمايي، يا با تجربه بخار روي يك بستر گرمايي، شكل مي گيرند، آنگاه اگر ضريب انبساط لايه ها و بستر گرمايي يكسان باشد وقتي سيستم تا دماي اتاق سرد مي شود، يك فشار گرمايي ايجاد شده و پيشرفت مي‌كند.

اين اثر- كه در بسياري از موارد اتفاق مي افتد- خودش را به شكل جداسازي لايه ها از سطح به وضوح نشان مي‎دهد. در حقيقت هنگامي كه بستر گرمايي در دماي اتاق است، فشار گرمايي ذخيره شده در لايه هاي رسوبي رابا هيچ وسيله اي نمي توان آشكار كرد.

دمايي كه لايه ها در آن شكل مي گيرند، از آنجايي كه مفهوم بد تعريفي است، ممكن است با دماي بستر گرمايي تفاوت داشته باشد. مخصوصا وقتي كه اتمهاي چگاليده با يك سرعت بالاي گرمايي وارد مي‎شوند: اثر «دما»ي لايه هاي چگاليده به عاملهاي تعادل كه گرماي مادة چگال را كنترل مي‌كنند بستگي دارد

و اين عاملها معمولاً به سختي قابل تشخيص هستند. قستمي از دماي سطح بستر گرمايي توسط تابشهاي دريافت شده از منبع تعيين مي‎شود و قسمتي از آن را گرماي نهاني كه توسط لايه هاي چگاليده داده شده تعيين مي‌كند. وقتي ضخامت لايه هاي فلزي افزايش پيدا مي كند،

كسر بزرگي از انرژي گرمايي كه از بستر گرمايي تابش مي كند ممكن است بازتابيده شود. بعلاوه وقتي ثابتهاي اپتيكي لايه هاي بسيار نازك با ضخامت به سرعت (و اغلب با رفتاري بسيار پيچيده) تغيير مي‌كنند اين اثر به دشواري قابل تشخيص است. قبل از بحث كردن دربارة جزئيات اين اثر،‌ مي‎پردازيم به روشهاي تجربي اي كه براي مطالعه خواص مكانيكي لايه هاي نازك به كار مي روند.

۲-۵) تكنيك هاي تجربي
الف) اندازه گيري تنش و كرنش
اندازه گيري تنش (فشار) در لايه ها معمولاً با تكنيك باريكه- خمش انجام مي‎شود. تكنيكي كه در آن لايه ها روي يك باريكة مستطيلي نازك ته نشين شده و رسوب مي‌كنند.

در اندازه گيري انحرافهاي كوچكي كه در تداخل سنجي،‌ ظرفيت و نظم و ترتيب الكترومكانيكي به كار گرفته شده رخ مي‎دهد هر تغييري مي‎تواند در روشها ايجاد شود. در بيشتر موارد حل عمومي براي خمش باريكة مركب از دو ماده با خواص الاستيكي متفاوت، تا وقتي كه ضخامت لايه در برابر ضخامت باريكه كم است، مورد نياز نمي باشد.

اگر لايه ها به طور ثابتي مقيد به بستر گرمايي باشند و اگر شارش نرم و قالب پذيري در سطح مياني به وجود نيايد آنگاه براي ضخامت باريكه (d) ، مدول يانگ (Y)، نسبت پواسون ( ) و فشار (S) در ضخامت لايه (t) داريم:
(۱-۵)
وقتي كه شعاع انحناي فشار باريكة اوليه،‌ مستقيم فرض شود.
اندازه گيري مستقيم كرنش با متد بارگيري مستقيم عليرغم مشكلات زيادي كه وابسته به زياد شدن لايه ها است، بكار مي رود. طرح يكي از سيستمهايي كه استفاده مي‎شود در شكل (۱-۵) نشان داده شده است (اين طرح در اصل براي مطالعات تاره ها طراحي شده بود ولي بعدها براي كار لايه ها تعديل شد).

شكل ۱-۵- دستگاه اندازه گيري تنش- كرنش
سيم لوله/ آهنربا فشار مشخصي را به لايه ها مي رساند و كشيدگي لايه به وسيله ترانسفورماتور ديفرانسيلي گزارش مي‎شود. در موارد ديگر،‌ براي اندازه گيري كشيدگي هاي بسيار كوچك مشاهده شده از روشهاي اپتيكي استفاده مي‎شود در حاليكه روشهاي معمولي از نوع بالا براي لايه هاي تقريباً ضخيم تر- در محدودة ضخامت ۱/۰ ميكرومتر- بكار گرفته مي شوند، و اين به دليل مشكلات شديد بررسي و مطالعه نمونه هاي نازك تر است.

يك تناوب در روش بارگيري خطي اين است كه ببينيم كدام لايه ها در انتهاي يك سيلندر زياد شده است و توسط فشار ديفرانسيلي يك برآمدگي ايجاد كرده است. فريزهاي تداخلي شكل گرفته شده بين لايه و سطح مرجع يك روش حساس را براي اندازه گيري پس زدن ايجاد مي‌كند.

در يك تقريب ناقص ممكن است فرض شود كه لايه ها به صورت يك كلاهك كروي تغيير شكل پيدا مي‌كند. اگر a شعاع لايه، T0 كشش لايه با تفاضل فشار صفر و شعاع انحنا براي فشار P استفاده شدهباشد آنگاه:
(۲-۵)
(۳-۵)
وقتي كه t ضخامت لايه، Y مدول يانگ و نسبت پواسون باشد.
در حقيقت شكل سطح لايه ها نزديك به سطح يك حركت انتقالي درجه دوم است و يك اندازه بهتر از شعاع لايه با دو اندازه گيري از ارتفاع لايه در بالاتر از حد پايه بدست مي آيد،

يكي در نقطه اوج و ديگري در ربع وتر (شكل ۲-۵). با توجه به شكل ۲-۵ شعاع انحنا توسط فرمول زير داده مي‎شود:
(۴-۵)

شكل ۲-۵
يك روش برجستة مطالعه لايه ها، روش دقيق و شسته رفته بر آراستي رشد لايه هاي طلا مي‎باشد. در اين روش لايه ها مي‎توانند روي سطح يك بلور سنگ نمك رشد كنند و فشار بسيار شديد جريان آب يك حفره در بستر (زير تراز) ايجاد مي‌كند و باقي ماندة لايه ها روي بلور باقي مي مانند. مشكلات معمول پيوستن لايه ها نيز قابل اجتناب هستند.

گرچه كرنش هاي اصلي در ريز بلورك هاي يك لايه ممكن است توسط پهناي الكتروني يا حلقه ها و مكانهاي پراش پرتو X محدود شود ولي اغلب جدا كردن چنين اثرهاي مشخصي از اثرهايي در سايز بلورك ها دشوار است.
ب) اندازه گيري شكست كرنش:
براي مطالعه شكست لايه ها در زير فشار و درك روند آن دو روش به كار مي رود. در روش اول كه براي مطالعة لايه هاي ته نشين شده استفاده مي‎شود، يك چرخة استوانه‌اي (استوانة چرخان) با سرعت زيادي كه سبب شكست مي‎شود مي چرخد. [چسبندگي و كشش سطحي بين لايه ها و چرخانه كم است].

در روش دوم، كه در ميكروسكوپ الكتروني از آن استفاده مي شود، لايه روي يك صفحة شكاف دار (شكل ۳-۵) در انتهاي جايي كه نيروها از هم جدا مي‎شوند ثابت مي‎شود. گرچه از اين راه شكست فشارها به طور تقريبي به دست مي‎آيد ولي اين روش از اين جهت سودمند است كه ساختار لايه و حركت و جابجايي در رفتگي ها در طول آزمايش قابل مشاهده است.

 

(شكل ۳-۵)
۳-۵) فشاري كه تبخير گرمايي در لايه ها ايجاد مي‌كند: (هافمن ۱۹۶۰)
براي نشان دادن مطلب بالا، وقتي يك لايه رسوب مي‌كند روي يك بستر گرمايي؛ اگر ضريب انبساط گرمايي لايه و مادة بستر گرمايي متفاوت باشد، انتظار مي رود كه حالتي از فشار و تنش در لايه ها به وجود آيد. اگرچه قبلاً اين بدست آمده و مشخص شده كه در اثر انقباض ديفرانسيلي در بسياري از مواد يك تنش و فشار داخلي به وجود مي‎آيد.

نتايج مخشصي از فشار لايه هاي آهني در شكل (۴-۵) نشان داده شده اند؛ كه فشار به وجود آمده از اثر انقباض ديفرانسيلي از كل فشار مشاهده شده كسر شده است.
بزرگي فشار داخلي هم به ضخامت لايه و هم به دماي بستر گرمايي بستگي دارد و محتمل است كه از تركيب ساختار لايه ها به وجود آمده باشد.

 

(شكل ۴-۵)
فشار كششي در تبخير گرمايي لايه هاي آهن
A حالتي است كه در آن دماي بستر Cْ ۱۰۰ است. B حالتي است كه دماي بستر Cْ۱۶۵ است و نمودار C در حالتي است كه دماي بستر Cْ۲۴۰ مي‎باشد.

به دليل اينكه لايه ها اغلب به صورت پيچيده روي بستر يافت مي شوند، اين واضح است كه تغيير فشار با عمق بازتابي از تغيير ساختار لايه ها با عمق است. هم تراكم و هم كشش تنش داخلي (فشار داخلي) اغلب با وابستگي پيچيده اي به دماي بستر گرمايي در مواد مختلف يافت شده اند؛

بدين گونه كه لايه ها يك فشار كششي براي رسوب گذاري زير دمايْ۱۰۰ سيلسيوس و بالاتر از دماي ْ۳۵۰ درجه سانتيگراد و يك فشار تراكمي در بين اين دو دما را نشان مي‎دهد. دماي واقعي اي كه فشار كششي به فشار تراكمي تغيير شكل مي‎دهد تا حدي به آهنگ تشكيل لايه ها بستگي دارد. در حال حاضر نظريه دقيقي كه دليل موجهي براي اين رفتار عمومي ارائه دهد وجود ندارد.

(شكل ۵-۵)- تغيير فشار داخلي لايه هاي آهن با دماي تابكاري
اثر تابكاري عموماً فشار داخلي را كاهش مي‎دهد و همانطور كه منحني شكل (۵-۵) نشان مي‎دهد يك دماي بهينه وجود دارد كه در آن دما فشار داخلي در كمترين مقدار خود است.

۴-۵) رفتارهاي كشسان و قالب پذيري لايه ها
مطالعات رفتار تنش- كرنش لايه ها اغلب در آغاز بارگيري منجر به يك ارزش كم (مقدار كم) براي ضريب كشساني مي‎شود و بعد ادامه پيدا مي كند با يك ارزش (مقدار) مياني در تخليه ها و دوباره بارگيري بعدي. اين كاملاً مشخص نيست كه آيا رفتار آغازي با خزش و لغزش در روشهاي استفاده شده براي نگهداري لايه ها رابطه دارد يا نه.

نتايج بدست آمده از آزمايشهاي پيشرفته رفتارهاي مشابهي را نشان مي دهد، اگرچه ضريب نخستين بارگيري نزديك تر است به مقدار كپه اي از روشهاي ماشين كششي. لايه هاي چند بلوري تشكيل شده توسط تبخير گرمايي،

به طور معمول ضريب كشساني نزديكتري به ضريب كشساني تودة ماده دارند، به عبارت ديگر، ضريب كشساني كم و پايين در لايه هاي رسوبي شيميايي و همچنين در لايه هاي الكتروليتي مشاهده شده اند. در مورد لايه هايي كه از طريق شيميايي شكل گرفته اند، تفاوت در رفتارها احتمالا به دليل وجود ناخالصي ها در لايه ها مي‎باشد.

از هنگامي كه رفتار خزش در لايه ها مشاهده گرديده است، اين هنوز يك پرسش مطرح است. مداركي هم از لايه هاي رسوب كردة شيميايي و هم از لايه هاي طلاي برآراستي وجود دارد كه خزش در آنها اتفاق نمي افتد. در نقطه اي كه لايه ها مي شكنند به طور كامل رفتار الاستيكي و كشسان مشاهده مي‎شود. دو دليل براي ايجاد خزش در مشاهدات وجود دارد.

يكي اينكه اين خزش ناشي از نظم داخلي در لايه هاست و ديگر اينكه ناشي از لغزش لايه ها در نگهدارنده مي‎باشد. اگرچه ممكن است بعضي از مشاهدات دليل موجهي براي اين راه ارائه كنند،‌ با اين حال به نظر مي رسد كه اين بديهي است كه خزش خالص اتفاق مي افتد در لايه هاي تبخيري در بيشتر راهها (روشها)يي كه مشخص است كه براي رولهاي فلزي ورقه شده و نمونه هاي كپه اي ديگر اتفاق مي افتد.
در فشار بالاي كافي، جايگزيده شدن بي شكل و نرمي و قالب پذيري در لايه ها منجر به كاهش ضخامت لايه مي‎شود و همچنين يك صعود نتيجه بخش در مرتبة تنش ايجاد مي‌كند. ناجايگزيدگي هسته اي در مرزهاي بلورهاي داخلي،‌ باعث سر خوردن و خزيدن سطوح مي‎شود و حتي شكافهاي ميكروسكوپي در لايه ها ايجاد مي‌كند. مرتبه فشاري كه باعث ايجاد چنين اثري مي‎شود در بسياري از موارد خيلي بيشتر از انواع مشاهده شده در نمونه هاي توده اي تابكاري شده است و اغلب به طور عمده و قابل توجهي از مواد دريافت شده يا سردكاري شده بيشتر است.

شكست فشار به روشي بسيار ابتكاري توسط باريكه در سال ۱۹۵۹ اندازه گيري شده است. در اين روش لايه ها روي يك چرخانة استوانه اي ته نشين مي‎شوند. سرعت چرخانه آنقدر افزايش پيدا مي‌كند تا اينكه لايه ها مي شكنند.

تكنيك برجسته اي كه در بالا ذكر شد هنوز هم به كار گرفته مي‎شود. اين مشخص شده كه در نقره و نيكل چند بلوري عموماً شكست كرنش به ضخامت بستگي دارد؛ ولي اين بستگي به ضخامت در مس مشاهده نمي‎شود. براي لايه هاي طلا يك تناقض و ناسازگاري مشاهده مي گردد: تعدادي از مشاهده گران (آزمايش كنندگان) وابستگي به ضخامت را مشاهده كرده اند در حاليكه عده اي ديگر به چنين وابستگي اي دست نيافته اند.

ما از راهي معمولي و ساده مي توانيم دريابيم كه چرا مقاومت لايه ها ممكن است نسبت به تودة مواد بيشتر باشد. شكست و رد وابستگي نمونه ها به انتشار ناجايگزيني و محدوديت ضخامت لايه ها به شدت اين حركت را مهار كرد (جلوي اين روش نتيجه گيري را گرفت). به هر صورت، مدل نظري دقيقي كه بتواند قسمت وسيعي از تغييرات نتايج را در بربگيرد وجود ندارد. در بعضي موارد لايه ها تقريباً در خلأ ناكافي تهيه و آماده مي‎شوند و اين باعث ايجاد اكسيد روي سطح لايه مي‎شود.

در روشهاي مشابهي كه اطمينان وجود دارد كه مقاومت رشته هاي يك فلز معين وابسته به اكسيد سطح است اين مي‎تواند مقاومت بالاي لايه ها را توجيه مي‌كند. از مورد لايه هاي طلا اين واضح و روشن مي‎شود كه فاكتورها و عوامل ديگري نيز روي مقاومت لايه ها تأثير دارند: در وقتي كه لايه هاي طلا هم مقاومت بالايي از خود نشان مي دهند و هم سطح آنها فاقد اكسيد است.

وقتي لايه ها روي بستري بي شكل و غيرمتبلور در فرودي عادي (نرمال) رسوب مي‌كنند فشار همسانگرد است. توزيع ناهمسانگرد فشار در لايه هايي كه شكل گيري آنها به صورت رسوب در حالت غيرعادي بوده است مشاهده مي‎شود. با مطالعات و بررسي هايي كه به وسيله ميكروسكوپ هاي الكتروني انجام شده مشخص شده است كه در ساختار چنين لايه هايي نامتقارني مولكولي وجود دارد، بنابراين ايجاد فشار ناهمسانگرد غيرمنتظره نيست

 

نظر به خاصيت قابل توجه اصطكاك پايين و كم پلي تترا فلورواتيلن (PTFE) و اين حقيقت كه اصطلاك به طور ذاتي و اصلي يك پديدة سطحي است، اين جالب است كه بدانيم آيا لايه هاي اين ماده مي‎توانند به عنوان يك رد كننده (كم كننده) اصطكاك به كار روند؟ اين را دريافته اند كه مي‎توان به وسيلة كند- و- پاش (sputlering) مواد را (PTFE) اندود كرد بطوري كه بسيار خوب و ملايم به آنها بچسبد و ضريب اصطكاك، ، نسبت به تودة مواد تغيير نخواهد كرد.

همانطور كه انتظار مي رود مقدار مشاهده شدة افزايش پيدا مي‌كند اگر ضخامت پوشش (PTFE) در مرتبة يا كمتر از مرتبة نرمي و صافي نمونة پوشيده شده باشد.
شكل توليد لايه ها با توليد تودة‌ مواد بسيار متفاوت است. لايه ها بي شكل و