Πειραματική και θεωρητική μελέτη μηχανικών ιδιοτήτων και φαινομένων μεγέθους σε νανοδομές και λεπτά υμένια

Abstract

In the context of this PhD thesis in the first part of the research, two thin film systems, each with a film thickness ranging from 100 to 500 nm, were manufactured using the Magnetron Reactive Sputtering method. The first system was Indium Tin Oxide (ITO) thin films on a silicon substrate (hard film on a softer substrate system), while the second thin films of Cu on a silicon substrate (a soft film on a harder substrate system).Subsequently, the samples were studied by nanoindentation experiments with a wide range of loads between 1 to 500mN in order to be able to calculate the nano-mechanical properties (elastic modulus and hardness) of the two different types of systems. The results for the two different types of films were recorded and compared with each other, leading to interesting observations.Imprints of nanoindentation experiments as well as their neighboring areas were investigated using optical microscopy, atomic force microscopy (AFM) and scanning electron microscopy (SEM) to study the deformation behavior and potential fracture patterns of the films for different impression loads.In the second part of the research an experimental study of monocrystalline silicon wafers was carried out using the nanoindentation method, which were also the substrates of the specimens, thin film-substrate systems of the first part of the research. The purpose of the research was to identify the factors influencing the occurrence of pop-in and pop-out effects during the nanoindentation process, while the magnitude of the pop-out phenomena that occurred during the experimental study was analyzed.In the last experimental part of the study, ITO / Si structures, that were prepared by the pyrolytic pulverization process, were investigated under cyclic nano-indentation, while they were leaking from DC current. The purpose of the research was twofold, firstly to examine the phenomenon of piezoresistive effect of structures based on indium tin oxide (ITO / X structures) and secondly to study changes in mechanical properties (elastic modulus, hardness of these structures during "cyclic" nanoindentation measurements while being leaked from DC current, concluding whether and to what extent it is feasible to use these structures in the construction of micro and nano-pressure sensors.Two new models were then developed, combining both Aifantis' Gradient Plasticity models with one and two characteristic lengths with the Korsunskys' composite hardness model to explain the nanoindentation size effect (ISE) in the complex thin film systems, for the right adaptation of the full range of hardness data of nano-indentation experiments, both in hard-films on a softer substrate and in soft films on a harder substrate.Finally, the gradient plasticity hardness models were used in experimental data of High Strength Steels HSS to see first if they work just as well for this type of materials, and second if they verify the full range of experimental data.This doctoral dissertation is divided into two main parts. The first part consists of 5 chapters, it concerns the theoretical approach of the present PhD and the theoretical background on which we relied to conduct the current research. The second consists of 6 chapters, which present and analyze the results of nanoindentation experiments and microscopic analysis, using optical microscopy, atomic force microscopy and scanning electron microscopy, as well as the development of composite gradient plasticity models were analyzed and their use in verifying experimental data of both thin films and bulk materials was investigated.More analytically in the first chapter is an extensive analysis of the two types of thin films used in this doctoral thesis. Transparent conductive ITO films and Copper thin films. There is an extensive reference to the specific properties they present as well as to their innumerable applications, giving an answer for the reason we chose them, while also making a historical review of the experimental work that preceded this dissertation in the ITO and Cu films.In the second chapter are presented the experimental techniques used for the construction and study of the thin films used in the dissertation, giving basic information on the methods of thin films development and especially sputtering deposition technique, the nanoindentation technique but also for microscopy methods were used, Atomic Force Microscopy (AFM) and Electronic Scanning Microscopy (SEM).The third chapter analyzes thoroughly the nanoindentation method used to determine the mechanical properties of our samples. Describe the basic principles of the method as well as the method of calculating the mechanical properties while loading and unloading curves were analyzed and the factors influencing the method are presented.Size phenomena, and in particular the indentation size effect (ISE), is described in the fourth chapter. Following is an extensive analysis of all models for the description of indentation size effect starting from the Aifantis gradient models and ending with the Nix-Gao model.The fifth chapter concerns the calculation of the real mechanical properties of thin films. This chapter gives a historical overview and partial analysis of the major models developed to calculate the real hardness and real elastic modulus in a complex thin film-substrate system.The sixth chapter contains the experimental study of the two thin film systems that were investigated, the ITO / Si and Cu / Si films. In this chapter the films were subjected to nanoindentation experiments on a wide range of loads. Their nano-mechanical properties (elastic modulus and hardness) were calculated and nanoindentation curves analyzed extensively. The results for the two different types of films were recorded and compared with each other. Subsequently, the imprints of nanoscale experiments as well as their neighboring areas were investigated using optical microscopy, atomic force microscopy (AFM) and scanning electron microscopy (SEM). The deformation behavior and possible fracture patterns of the films for different indentation loads were studied and a complete picture of the properties and differences between the two film systems and between the films with different thickness were recorded.The experimental study of monocrystalline silicon wafers is set forth in the seventh chapter. The aim was to study the occurrence of Pop-in and Pop-out phenomena by altering the parameters of nanoindentation experiments. The research was divided into two phases. In the first phase of the research, a statistical analysis of the presence of pop-in and pop-out phenomena was performed on monocrystalline Si wafer in relation to the maximum indentation load. In the second phase, experiments with very low loading / unloading rates were performed, while the maximum load was maintained the same as in the first phase. The results of the two phases were compared in order to arrive at conclusions regarding the dependence of pop-ins and pop-outs on the loading / unloading rate. Finally, the experimental data were statistically analyzed using a Tsallis q-distribution.The eighth chapter studies ITO / Si structures prepared by the pyrolytic pulverization method, under cyclic nano-indentation, while leaking with current. Two copper electrodes were placed in the samples, which were used to connect the samples to a Wheatstone bridge circuit. The voltage used came from a direct current source (DC). The samples were indented cyclic (5 cycles) while leaking with current of positive and then negative direction, depending on the polarity of the source. Changes in both the mechanical properties of the material and its resistance during nanoindentation measurements were observed for both polarities and were recorded.In the ninth chapter two new gradient plasticity models were proposed for the complicated thin film- substrate system to explain the hardness measurements of nano-indentation experiments of both hard-film on a softer substrate systems and of soft-film on a harder substrate systems .In the tenth chapter, the gradient plasticity models were used for experimental data from two different types of high strength (HSS) steel. In Quench and Partitioning Steels (QP) and in Transformation induced plasticity Steels (TRIP), in six different regions, three austenitic and three ferritic, to see if they work equally well for this type of materials while explaining the indentation size effect. Finally, in the Eleventh Chapter, an overview of the general conclusions and results concerning the doctoral dissertation was made.

Στα πλαίσια της παρούσας διδακτορικής διατριβής στο πρώτο τμήμα της έρευνας, κατασκευάστηκαν δυο συστήματα λεπτών υμενίων, το καθένα με πάχος φιλμ που κυμαινόταν από τα 100 έως τα 500nm, με την μέθοδο Magnetron Reactive Sputtering. Το πρώτο σύστημα αφορούσε λεπτά υμένια Indium Tin Oxide (ITO) σε υπόστρωμα πυριτίου (σύστημα σκληρού υμενίου σε μαλακότερο υπόστρωμα) ενώ το δεύτερο λεπτά υμένια Cu σε υπόστρωμα πυριτίου (σύστημα μαλακού υμενίου σε σκληρότερο υπόστρωμα). Στην συνέχεια τα δείγματα μελετήθηκαν υποβαλλόμενα σε πειράματα νανοσκληρομέτρησης με ένα εκτενές εύρος φορτίων από 1 έως και 500mN ώστε να μπορέσουν να υπολογιστούν οι νάνο-μηχανικές ιδιότητες (μέτρο ελαστικότητας και σκληρότητα) των δυο διαφορετικών αυτών τύπων συστημάτων. Τα αποτελέσματα για τους δύο διαφορετικούς τύπους υμενίων καταγράφηκαν και συγκρίθηκαν μεταξύ τους οδηγώντας σε ενδιαφέρουσες παρατηρήσεις. Τα εντυπώματα των πειραμάτων νανοσκληρομέτρησης καθώς και οι γειτονικές τους περιοχές ερευνήθηκαν με την χρήση οπτικής μικροσκοπίας, μικροσκοπίας ατομικών δυνάμεων (AFM) και ηλεκτρονικής μικροσκοπίας σάρωσης (SEM) ώστε να μελετηθεί η συμπεριφορά παραμόρφωσης και τα πιθανά μοτίβα θραύσης των υμενίων, για διαφορετικά φορτία εντύπωσης. Στο δεύτερο τμήμα της έρευνας εκτελέστηκε πειραματική μελέτη wafers μονοκρυσταλικού πυριτίου, με την χρήση της μεθόδου της νανοσκληρομέτρησης, τα οποία αποτελούσαν και τα υποστρώματα των δοκιμίων, των συστημάτων λεπτών υμενίων-υποστρώματος του πρώτου τμήματος της έρευνας. Ο σκοπός της έρευνας ήταν να εντοπιστούν οι παράγοντες που επηρεάζουν την εμφάνιση φαινομένων pop-in και pop-out κατά την διάρκεια της διαδικασίας νανοσκληρομέτρησης ενώ παράλληλα διεξήχθη και στατιστική ανάλυση του μεγέθους των φαινομένων pop-out που εμφανίστηκαν κατά την πειραματική μελέτη.Στο τελευταίο πειραματικό τμήμα της έρευνας μελετήθηκαν δομές ΙΤO/Si παρασκευασμένες μέσω της μεθόδου πυρολυτικής κονιοποίησης, υπό κυκλική νανοσκληρομέτρηση ενώ διαρρέονταν από ρεύμα DC. Ο σκοπός της έρευνας ήταν διττός, πρώτον ήταν να εξεταστεί το φαινόμενο της πιεζο-αντίστασης (piezoresistive effect) δομών βασισμένων στο indium tin oxide (ITO/X structures) και δεύτερον να μελετηθούν οι αλλαγές στις μηχανικές ιδιότητες (μέτρο ελαστικότητας, σκληρότητα αυτών των δομών κατά την διάρκεια «κυκλικής» νανοσκληρομέτρησης ενώ διαρρέονται από DC ρεύμα, καταλήγοντας σε συμπεράσματα για το αν και κατά πόσο είναι εφικτό να χρησιμοποιηθούν αυτές οι δομές στην κατασκευή μίκρο και νάνο-αισθητήρων πίεσης.Στην συνέχεια αναπτύχθηκαν δυο νέα μοντέλα, συνδυάζοντας βαθμοπλαστικά μοντέλα με ένα και δυο χαρακτηριστικά μήκη (internal lengths) του Aifantis, με το μοντέλο σύνθετης σκληρότητας του Korsunsky για την εξήγηση του φαινομένου μεγέθους νανοσκληρομέτρησης (ISE) στο περίπλοκο σύστημα των λεπτών υμενίων, για την σωστή προσαρμογή του πλήρους φάσματος των δεδομένων σκληρότητας των πειραμάτων νανοσκληρομέτρησης τόσο στα συστήματα σκληρού υμενίου σε μαλακότερο υπόστρωμα όσο και στα συστήματα μαλακού υμενίου σε σκληρότερο υπόστρωμα.Τέλος τα μοντέλα βαθμοπλαστικής σκληρότητας χρησιμοποιήθηκαν σε πειραματικά δεδομένα χαλύβων υψηλής αντοχής (HSS) ώστε να διαπιστωθεί αν λειτουργούν εξίσου καλά και για αυτό τον τύπο των υλικών εξηγώντας και εδώ το φαινόμενο μεγέθους νανοκληρομέτρησης και επαληθεύοντας όλο το εύρος των πειραματικών δεδομένων.Η διδακτορική αυτή διατριβή χωρίζεται σε δυο κύρια μέρη. Το πρώτο μέρος αποτελείται από 5 κεφάλαια, αφορά την θεωρητική προσέγγιση του παρόντος διδακτορικού και αναλύεται το θεωρητικό υπόβαθρο στο οποίο στηριχτήκαμε για να διεξάγουμε την τρέχουσα έρευνα. Το δεύτερο αποτελείται από 6 κεφάλαια, στα οποία παρατίθενται και αναλύονται τα αποτελέσματα των πειραμάτων νανοσκληρομέτρησης αλλά και της ανάλυσης μικροσκοπίας με τη χρήση του οπτικού μικροσκοπίου, του μικροσκοπίου ατομικών δυνάμεων και του ηλεκτρονικού μικροσκοπίου σάρωσης καθώς και αναλύεται η ανάπτυξη των σύνθετων μοντέλων βαθμοπλαστικότητας αλλά και παρουσιάζεται η χρήση τους στην επαλήθευση πειραματικών δεδομένων τόσο λεπτών υμενίων όσο και bulk υλικών. Πιο αναλυτικά στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται εκτενής ανάλυση των δυο τύπων λεπτών υμενίων που χρησιμοποιήθηκαν στην παρούσα διδακτορική διατριβή. Των διάφανων αγώγιμων υμενίων ΙΤΟ και των λεπτών υμενίων Χαλκού. Γίνεται εκτενής αναφορά στις ιδιαίτερες ιδιότητες που παρουσιάζουν καθώς επίσης και στις αναρίθμητες εφαρμογές τους, δίνοντας μια απάντηση για τον λόγο που τα επιλέξαμε ενώ παράλληλα γίνεται και μια ιστορική αναδρομή στις πειραματικές εργασίες που προπορεύτηκαν αυτής της διατριβής στον τομέα των υμενίων ITO και Cu.Στο δεύτερο κεφάλαιο παρατίθενται οι πειραματικές τεχνικές που χρησιμοποιήθηκαν για την κατασκευή και την μελέτη των λεπτών που χρησιμοποιήθηκαν στα πλαίσια της διατριβής, δίνοντας βασικές πληροφορίες για τις μεθόδους ανάπτυξης των λεπτών υμενίων και ιδιαίτερα την εναπόθεση με βομβαρδισμό ιόντων (sputtering), την τεχνική της νανοσκληρομέτρησης αλλά και των δυο μεθόδων μικροσκοπίας των οποίων έγινε χρήση, της Μικροσκοπίας Ατομικών Δυνάμεων (AFM) και της Ηλεκτρονικής Μικροσκοπίας Σάρωσης (SEM).Το τρίτο κεφάλαιο αναλύει διεξοδικά την μέθοδο της νανοσκληρομέτρησης που χρησιμοποιήσαμε για τον προσδιορισμό των μηχανικών ιδιοτήτων των δειγμάτων μας. Περιγράφεται η αρχή λειτουργίας της μεθόδου καθώς και η μέθοδος υπολογισμού των μηχανικών ιδιοτήτων ενώ αναλύονται οι καμπύλες φόρτισης-αποφόρτισης της διαδικασίας και παρουσιάζονται οι παράγοντες επηρεασμού της μεθόδου.Η έννοια των φαινομένων μεγέθους και ιδιαίτερα το φαινόμενο μεγέθους νανοεντύπωσης (ISE) περιγράφεται στο τέταρτο κεφάλαιο. Ακολουθεί εκτενής ανάλυση όλων των μοντέλων για την περιγραφή του indentation size effect ξεκινώντας από τα βαθμοπλαστικά μοντέλα του Aifantis και καταλήγοντας στο μοντέλο Nix-Gao.Το πέμπτο κεφάλαιο αφορά των υπολογισμό των πραγματικών μηχανικών ιδιοτήτων των λεπτών υμενίων. Το κεφάλαιο αυτό κάνει μια ιστορική αναδρομή και μερική ανάλυση των κυριότερων μοντέλων που αναπτύχθηκαν για τον υπολογισμό της πραγματικής σκληρότητας και του πραγματικού μέτρου ελαστικότητας σε ένα περίπλοκο σύστημα λεπτού υμενίου-υποστρώματος.Το έκτο κεφάλαιο περιέχει την πειραματική μελέτη των δυο συστημάτων λεπτών υμενίων που ερευνήσαμε, των υμενίων ΙΤΟ/Si και Cu/Si. Στο κεφάλαιο αυτό τα υμένια υποβλήθηκαν σε πειράματα νανοσκληρομέτρησης σε ένα μεγάλο εύρος φορτίων. Οι νάνο-μηχανικές τους ιδιότητες (μέτρο ελαστικότητας και σκληρότητα) υπολογίστηκαν και οι καμπύλες νανοσκληρομέτρησης αναλύθηκαν εκτενώς. Τα αποτελέσματα για τους δύο διαφορετικούς τύπους υμενίων καταγράφηκαν και συγκρίθηκαν μεταξύ τους. Στην συνέχεια τα εντυπώματα των πειραμάτων νανοσκληρομέτρησης καθώς και οι γειτονικές τους περιοχές ερευνήθηκαν με την χρήση οπτικής μικροσκοπίας, μικροσκοπίας ατομικών δυνάμεων (AFM) και ηλεκτρονικής μικροσκοπίας σάρωσης (SEM). Η συμπεριφορά παραμόρφωσης και τα πιθανά μοτίβα θραύσης των υμενίων, για διαφορετικά φορτία εντύπωσης μελετήθηκαν και μια πλήρης εικόνα των ιδιοτήτων αλλά και των διαφορών μεταξύ των δυο συστημάτων υμενίων αλλά και των υμενίων διαφορετικού πάχους καταγράφηκε.Η πειραματική μελέτη μονοκρυσταλλικών wafers πυριτίου παρατίθεται στο έβδομο κεφάλαιο. Ο στόχος ήταν η μελέτη της εμφάνισης των φαινομένων Pop-in και Pop-out από την μεταβολή παραμέτρων της νανοσκληρομέτρησης. Η έρευνα χωρίστηκε σε δυο φάσεις. Στην πρώτη φάση της έρευνας, πραγματοποιήθηκε μια στατιστική ανάλυση της παρουσίας φαινομένων pop-in και pop-out, σε μονοκρυσταλλικά wafer Si σε συνάρτηση με το μέγιστο φορτίο εντύπωσης. Στη δεύτερη φάση, διεξήχθησαν πειράματα με πολύ χαμηλό ρυθμό φόρτισης / αποφόρτισης, ενώ το μέγιστο φορτίο διατηρήθηκε το ίδιο όπως στην πρώτη φάση. Τα αποτελέσματα των δυο φάσεων συγκρίθηκαν, προκειμένου να καταλήξουμε σε συμπεράσματα σχετικά με την εξάρτιση της εμφάνισης pop-ins και pop-outs από τον ρυθμό φόρτισης / αποφόρτισης. Τέλος τα πειραματικά δεδομένα αναλύθηκαν στατιστικά χρησιμοποιώντας μια κατανομή Tsallis q-distribution.Το όγδοο μελετά δομές ΙΤO/Si παρασκευασμένες μέσω της μεθόδου πυρολυτικής κονιοποίησης, υπό κυκλική νανοσκληρομέτρηση ενώ διαρρέονταν από ρεύμα. Στα δείγματα τοποθετήθηκαν δυο χάλκινα ηλεκτρόδια, τα οποία χρησιμοποιήθηκαν για την σύνδεση των δειγμάτων με ένα κύκλωμα τύπου Wheatstone bridge. Η τάση που χρησιμοποιήθηκε προήλθε από πηγή συνεχούς ρεύματος (DC). Τα δείγματα υποβλήθηκαν σε κυκλική σκληρομέτρηση (5 κύκλοι) ενώ διαρρέονταν από ρεύμα θετικής φοράς και στην συνέχεια αρνητικής ανάλογα με την πολικότητα της πηγής. Οι μεταβολές τόσο στις μηχανικές ιδιότητες του υλικό όσο και στην αντίσταση του κατά την διάρκεια της νανοσκληρομέτρησης, παρατηρήθηκαν και για τις δυο φορές πολικότητας και καταγράφηκαν.Στο ένατο κεφάλαιο προτάθηκαν δυο νέα βαθμοπλαστικά μοντέλα για το περίπλοκο σύστημα λεπτών υμενίων σε υπόστρωμα, για την εξήγηση των αποτελεσμάτων σκληρότητας των πειραμάτων νανοσκληρομέτρησης τόσο στα συστήματα σκληρού υμενίου σε μαλακότερο υπόστρωμα, όσο και στα συστήματα μαλακού υμενίου σε σκληρότερο υπόστρωμα. Στο δέκατο κεφάλαιο τα μοντέλα βαθμοπλαστικής σκληρότητας χρησιμοποιήθηκαν σε πειραματικά δεδομένα δυο διαφορετικών ειδών χαλύβων υψηλής αντοχής (HSS). Σε Quench and Partitioning Steels (QP) και σε Transformation induced plasticity Steels (TRIP), σε έξι διαφορετικές περιοχές, τρεις ωστενιτικές και τρεις φερριτικές, ώστε να διαπιστωθεί αν λειτουργούν εξίσου καλά και για αυτό τον τύπο των υλικών εξηγώντας παράλληλα το φαινόμενο μεγέθους νανοκληρομέτρησης. Και τέλος στο ενδέκατο κεφάλαιο έγινε μια καταγραφή των γενικών συμπερασμάτων και αποτελεσμάτων που αφορούν την διδακτορική διατριβή στο σύνολο της.