Μηχανικές ιδιότητες νανοδιάστατων υλικών: πειραματική μελέτη και ανάλυση με μεθόδους υπολογιστικής μηχανικής

Abstract

Application of nanoindentation method in ultra thin films presents two major challenges (a) the determination of tip geometry (b) the substrate effect. For the determination of tip geometry we developed a new calibration technique for shallow indentation depth, using fused silica as a reference sample. On the other hand for the substrate effect, a novel method based on Finite Element Simulation was created. These new techniques were applied on two types of ultra thin films (100nm), single layer titanium diboride (TiB₂) and multilayer titanium/titanium diboride (Ti/TiB₂). The estimated mechanical properties were correlated with changes in thin films nanostructure. Moreover, nanoindentation was used for the in depth study of creep behavior of hybrid materials, used for the encapsulation of electrical circuits in flexible electronics. The generalized Kelvin-Voigt model was used for the estimation of materials viscoelastic properties, which were also correlated with materials barrier properties.

Ο καθορισμός των μηχανικών ιδιοτήτων νανοδιάστατων υλικών είναι μια από τις κρισιμότερες διαδικασίες κατά την ανάπτυξη τους, διότι παρέχει σημαντικά στοιχεία για την απόκριση τους κάτω από την επίδραση μηχανικών ή θερμικών φορτίων. Οι τεχνικές της νανοσκληρομέτρησης (nanoindentation) και της νανοεγχάραξης (nano scratch test) έχουν πλέον καθιερωθεί ως οι πλέον ενδεδειγμένες για τον χαρακτηρισμό λεπτών υμενίων.Σε εξαιρετικά λεπτά υμένια δύο είναι οι κύριες προκλήσεις που αντιμετωπίζει η νανοσκληρομέτρηση (α) ο καθορισμός της γεωμετρίας της ακίδας νανοσκληρομέτρησης (β) οι έντονες επιδράσεις του υποστρώματος. Για τον καθορισμό της ακίδας αναπτύχθηκε νέα τεχνική βαθμονόμησης σε μικρά βάθη διείσδυσης, χρησιμοποιώντας ως δείγμα αναφοράς την τετηγμένη πυριτία (SiO₂). Η επίδραση του υποστρώματος αντιμετωπίστηκε με μια νέα μέθοδο, η οποία βασίζεται στη Μέθοδο των Πεπερασμένων Στοιχείων (ΜΠΣ). Οι δύο αυτές καινοτόμες τεχνικές εφαρμόστηκαν σε δύο τύπους εξαιρετικά λεπτών υμενίων (100nm), μονοστρωματικών υμενίων διβοριδίου του τιτανίου (TiB₂) και πολυστρωματικών υμενιών τιτανίου/διβοριδίου του τιτανίου (Ti/TiB₂). Οι μηχανικές ιδιότητες που υπολογίστηκαν συνδέθηκαν με μεταβολές στη νανοδομή τους. Επιπλέον, έγινε επέκταση της νανοσκληρομέτρησης στη μελέτη του ερπυσμού υβριδικών υλικών που χρησιμοποιούνται για την ανάπτυξη εύκαμπτων ηλεκτρονικών διατάξεων. Για την εκτίμηση των ιξωδοελαστικών ιδιοτήτων, χρησιμοποιήθηκε το γενικευμένο μοντέλο Kelvin-Voigt, το οποίο στηρίζεται στις αρχές της Ρεολογίας. Οι ιξωδοελαστικές συνδέθηκαν με τις ιδιότητες φραγμού των υλικών.