CC BY
29
Таким образом, методом динамического инденти-ровапия в работе исследовано влияние скорости относи-
тельной деформации (в диапазоне < б > от 10 2 до Ю2 с1) на ряд прочностных характеристик (Ä"k., а. у. Wp) Si и Ge при комнатной температуре. Показано, что в исследуемых материалах существует некоторое пороговое
•
значение < Є >. выше которого трещины при заданном значении глубины пластического отпечатка (ht. = 700 нм для Si и hc — 640 нм для Ge) не образуются, и скачком изменятся ряд определяемых величин (Kic,
а. у. И-',).
ЛИТЕРАТУРА
I LuM/i В. II. i'vtms AAî., Marshall I).В. // J Amer Ceram, Soc. 1980,
V. 63, №9-10, P. 574-581.
2, Ansitz (,.K., ( hemlikul P.. I-awn lilt, Marshall D.H. // J. Amer. Ce-
ram, Soc. 1981. V. 64. № 9. P. 533-538.
З Новиков H.H., Дуб C.H., Иулычев ('.И. // Заводская лаборатория,
1988, Т. 54. № 7. С. 60-67.
4, Морочов U.M.. Зернин МН. Контактные и дач и механики разрушения. М.: Машиностроение, 1999, 544 с
5. Иулычев ('.II.. Алехин Н И. Испытание материалов непрерывным вдавливанием индентора. М.: Машиностроение, 1990. 225 с.
б, Вакуленко A.A.. Кукушки» ( // ФТТ. 1998. Г. 40. № 7. C. 1259-1263.
7, hzuka !.. Okatia Y. //Jap. J. Appl. Phys. 1994. T. 33. №3A. P, 1435-1442.
R, ilnih'iifxïM HJI. ^)¡i¡<ж A H. IIФММ, 1977. T. 43. Выл, 3. C. 469492.
9. Попрекая Ю.С.. Грабко Д. і, Кац MA’. Физика процессов микро-индеитирования. Кишинев: Штиинца, 1986. 295 с.
10. Атрощенко .4.H., Федоренко O.A. // Заводская лаборатория. 1975, № 11 С 1394-1396.
11. Федоров H.A. и tip і! Иів. РАН (серия физическая). 2003, Т. 67. №6 С 776-784.
12 Anton K.J.. Suhhash (і. Н Wear. 2000. T. 239. №1. P. 27-35.
13. Chaudhri M.M.. Wells J K. und Stephens A. // Phil. May A. 1981. V. 43. № 3. P 643-664
14. Головин Ю.И.. Tleo.vwi H.H.. Коренков H.H.. Тюрин А Н П ЖГФ
2000. T. 70. Вып. 5 C. 82-91.
15. Головин Ю.И. и Op //ФТТ.2005. T. 47. Вып. 6. C. 961-973.
16. Головин Ю.И.. Тюрин A.H.. Хлебников H.H. //ЖТФ. 2004,
17. Головин Ю.И.. Иуиин ЮЛ.. Тюрин А.И. И ДАН. 2003. Т. 392. № 3.
С. 336-339.
18. Oliver if Г., Pharr С,.М. // J. Malcr Research. 1992 V 7 № 6. P 1564-1583.
19. Oliver WA.. Г harr Ü.M. Hi. Maler, Research 2004 VI9, №1. Р.З-20.
20. liapàUKOfi Н.Ф., Богомолов A B, НиСкнпш A.B., Катрич М.Д. // Новое в области испытания на микротвердость. М.: Наука, 1974. С. 119-124.
21. Marshall D.H., Iwn В.R. // J. Mater. Sei 1979. V.!4. №8 P.200I-2012.
22. hremenko i.d. Niktlenko i'.l. //Phys. Stat. Sol.(a). 1972. V. 14 P 31 7-330,
23. Shin H., Armstrong H IK. Singer IL. i! J, Mater. Sei. !991. V, 26, P. 3486-3489.
24. Индешюм ЯЛ. II Письма в "ЖЭТФ. 1970, T, 12 С, 526-528,
25. Го.ясанскии H.H.. Сизова HJI.. Урусопская A.A. П ФТТ. 1971 T. 13 №2.C.411-415,
26. Akchurin M.Sh.. Ikgel i.R. //Chemistry Reviews. 1998. V 23 P 59-88.
27. Головин Ю.И., Тюрин All. //Письма вЖЭГФ. 1994 T 29. Вып. 21. C. 5529-5540.
28. (iotovm Yu.!.. Tyurm A.I.. l-arher H.Ya. .7 Phil. Mag A. 2002, V. 82 № 10. P 1857-1864
29. (lolovm Yu.I.. Tyurm A.I. and Tarbcr H.Ya. // .1 of Materials Science. 2002. V. 37. P. 895-904
30. Головин Ю.И., Тюрин А.И. ti Материаловедение. 2001 № IC. 14-21; №2. C. 10-27.
НЛАГОДАРНОСТИ: Работа выполнена при поддержке РФФИ (грант № 04-02-17198).
Поступила в редакцию 20 октября 2006 г.
АНАЛИЗ МИКРОРЕЛЬЕФА ПОВЕРХНОСТИ БЕЗДИСЛОКАЦИОННОГО КРЕМНИЯ ПРИ ДЕЙСТВИИ ВЫСОКИХ ЛОКАЛЬНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ
© А.И. Тюрин, М.А. Юнак, В.А. Шиндяпин
Tjurin Л.І., Junak М. A., Shindyapin V.A. The analysis ol a microrelief of the dislocation-free silicon surface at high local stresses. I he article looks at the possible mechanisms of removal of a material on a surface at high local stresses.
Исследования в области определения микрорельефа и микроструктуры поверхности в области пятна контакта представляют в настоящее время особую актуальность. Способы создания такого микрорельефа могут быть различными. Сюда относится: воздействие лазерным импульсом высокой интенсивности, микро- и панолитография. микро- и наноиндентирование и др.
В качестве изучаемого материала был взят моно-криеталлический бездислокационный 81. Выбор материала обусловлен широким использованием в технике и научных исследованиях. Он применяется для изготовления подложек и микросхем.
Цель работы заключалась: во-первых, в том. чтобы узнать, выносится ли материал вообще из зоны ко такта на поверхность в 81. Во-вторых, в поиске зависимости формирующеюся на поверхности 8! микрорельефа от скорости относительной деформации. В-третьих, в
качественном рассмотрении формы и внешнею вида навала материала, выдавленного па поверхность.
Создание рельефа производили методом динамического микро- и наноиндентирования. К индентору Ьер-ковича прикладывали симметричный импульс нагрузки постоянной амплитуды. Скорость относительной деформации варьировалась в пределах от 10 2 до 10" с”1 (рис. I). Обмер и качественное рассмотрение микрорельефа проводились с помощью атомно-силовою микроскопа AFM Solver (рис. 1).
В ходе работы показано, что материал в бездисло-кационном Si выносится на поверхность, образуя навал специфической формы около пятна контакта (рис. 2а). В отличие от навала на ЩГК (рис. 26) [I]. здесь весь материал сосредоточен в непосредственной близости от отпечатка.
Рис. I. P{h) диаграммы и соответствующие им картины поверхности, полученные с помощью AFM Solver
Рис. 2. Каргина поверхности после действия высокого локального нагружения, полученная на AFM Solver при £ = 10 1 с '. а) бездисжжационный Si; б) монокристаллический LiF
При этом доля вытесненного материала составляет порядка 50-60 % и зависит от скорости относительной деформации (рис. 3). Из рис. 3 видно, что зависимость *
претерпевает скачок при 8о -5с1. При скоростях относительной деформации меньших 5 с1, доля мате-риала, выносимого на поверхность при высоком локальном нагружении, остается постоянной и не зависит » %
от е. При Б > 5 с 1 доля навала существенно зависит от снгорости относительной деформации.
Такое поведение зависимости свидетельствует о смене механизма образования навала и массопереноса
•
нри Со.
В литературе рассматривается ряд механизмов пластической деформации: дислокационный механизм, деформация путем перемещения малоатомных кластеров. фазовый переход, упругое восстановление, разрушение путем грещинообразования.
Наиболее известным из литературы [2—61 механизмом образования навала на поверхности материала является дислокационный механизм. Согласно ему, материал выносится на поверхность дислокациями по плоскостям скольжения. При росте скорости относительной деформации движение дислокаций подавляется. Ото позволяет предположить, что в данном случае возможен дислокационный механизм массопереноса на стадии малых скоростей относительной деформации. При больших же скоростях, возможно, материал вы-
тесняется за счет пластичности, которая у Si значительна, т. е. за счет движения точечных дефектов.
При реализации моно- и малоатомных механизмов пластической деформации [7-9], деформирование определяется междоузельной пластичностью (направленное движение межузельных ионов и комплексов точечных дефектов (краудионов)).
Другим возможным механизмом в данном случае
•
может быть фазовый переход в пятне контакта при ео . В большинстве случаев образование зародыша новой фазы происходит у границы зерна, дислокаций, дефектов упаковки и т. п. [10], нозтому логично искать фазовый переход при индентировании. Как раз в бездисло-капиоииом кремнии новая фаза образуется на поверхности образца в зоне активной деформации [11].
Наконец, нельзя забывать о склонности Si к трещи-нообразованию. И хотя мы не наблюдаем трещин Палм-Квиста. возможно существование латеральных трещин, не выходящих на поверхность. В таком случае, излом зависимости может свидетельствовать о вязко-хрупком переходе.
В итоге показано, что доля бездислоканионпого Si, выносимого на поверхность при высоком локальном нагружении. зависит от скорости относительной деформации. При этом наблюдается смена механизма маесогтере-
•
носа при во = 5 с“1, о чем свидетельствует характерный излом в ходе зависимости доли материала, вынесенною на поверхность, от скорости относительной деформации.
(>М1 0,0/ 0,1 1
£,с’
\0 100
Рис. 3. Зависимость доли материала, выносимого на поверхность. от скорости относительной деформации
Описаны возможные механизмы выноса материала на поверхность при действии высокого локального нагружения.
ЛИТЕРАТУРА
1. Тюрин АН, Юнак М. А. Влияние скорости относительной деформации на формирование микрорельефа в зоне контакта при действии высоких локальных напряжений // Фазовые превращения и прочность кристаллов: Четвертая Междунар. конф. Черноголовка, 2006. С. 101-102.
2. Боярская /ОС.. I раОко Д '}., Кац MX'. Физика процессов микро-индентировання. Кишинев: Штиинца, 1986. 264 с.
3. СаратгУк i.К.. Гшуспюшниш М.в.. J(ранее Ц./Особенное!и деформации шел очно-галоидных кристаллов под действием сосредоточенной нагрузки Н ФТТ. 1999. Т. 41 № I I . С 1999-200.1
4. Фоменко Л.С., Лупепец С. В. и dp. Изучение локальной дефектной структуры кристаллов CdTe-Ge методом микроиндентирования // ФТТ. 1998. Т. 40. № 2. С 264-268.
5. Оаприкоп О.М. jlyí> (Н. Влияние скорости нагружения на механизмы пластической деформации в висмуте // Журнал технической физики. 2001. Т 71 № 5 С. 44-Ф6.
6. Акчурин MIL!.. Гаитян В.Г. Формирование дислокационной структуры при индентировании кристаллов в Р')М // Иэв. АН СССР Сер. Ф^ичсская (990. Т 54. № 2. С 354-361.
7. Гашиш Ю.И.. ¡юрин АН. Недислокационная пластичность и её роль в массопереносе и формировании отпеча i ка при динамическом индентировании // ФТТ. 2000. Т. 42. № 10. С. 1818-1820.
8. Акчурин М.Ш,. Bateen H.H.. Махина Г.Ю., l’ercih HP. О роли массопереноса материала за счет неремешеннй точечных дефектов в процессе микровдавливания /'ФТТ. 1988. Т.30. №3. С.760-764 .
9. ИнОеигюм В..Ч. Межузсльный (краудионный) механизм пластической деформации и разрушения // Письма в ЖЭТФ. 1970. Т. 12. № 12. С. 526-528.
10. МнрзаеаЛ.А., Окишев К.Ю. Полиморфные (фазовые) превращения в металлах и сплавах. Кинетика // Фазовые и структурные превращения в сталях: сб. науч. тр. № 1 С. 91-115
11. Шмытько И М., Изотоп А Н. и др. Фазовые переходы в монокристаллах кремния, обусловленные ориентированной пластической деформацией // ФТТ. 1998 Т. 40. №4. С. 746-749.
11оступила в редакцию 20 октября 2006 г.
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ СКОРОСТИ ОТНОСИТЕЛЬНОЙ ДЕФОРМАЦИИ И МОДЕЛИРОВАНИЕ КИНЕТИКИ МИКРО- И НАНОКОНТАКТНОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ТВЕРДЫХ ТЕЛ МЕТОДАМИ ДИНАМИЧЕСКОГО НАНОИНДЕНТИРОВАНИЯ
© А.И. Тюрин, В.В. Хлебников, В.И. Иволгин, Э.А. Бойцов, А.М. Куприякин
Tjurin A.I.. Hlebnikov V.V.. Ivolgin V.L Boytsov E.A., kupriyakin A.M. Research of the influence of speed of relative deformation and modeling of kinelics of a micro- and nanocontael interactions of solids by the methods of dynamic nano-
•
indentation. Kinetics of print formation in a wide interval E (from 10-3 up to 104 with-1) is investigated. Separate stages of print formation are revealed at nano-indentation. Numerical values of the size of dynamic solidity Hj, activation volume y. factor of speed sensitivity of solidity a and a volume fraction of the material generated at cach stage of print formation at
•
various values <S > (from 10-2 up lo 102) are defined. It is shown that dependences у -f (ha and a =/fi,Li correlate. On the basis of the received data the process of plastic print formation can be considered as a stage-by-stage change of dominating micromcehamsms of plasticity.
Инлептирование. заключающееся во вдавливании жесткою индентора в поверхность с последующим определением микро-. а в последнее время и нанотвердости, продолжает оставаться одним из наиболее распространенных методов исследования механических свойств в приповерхностных слоях твердых тел. Наряду с традиционными мотивациями возникли и новые, связанные с развитием нанотехнологии [ I ]. в частности, в связи с разработками интегрированных микро-электромеханичсских систем и интеллектуальных микророботов 11-2]: систем высоконлотной записи, хранения и считывания информации на механических носителях путем нанесения уколов атомарно острыми иголками [3^4 [: зондовой силовой микроскопии [5-6]; а также и другими потребностями нанотехнологии [7].
Кроме тою, многие практически важные случаи получения и механической обработки материалов, изготовления из них различных изделий и их дальнейшая же-плуатация (микро- и наноконтактиое взаимодействие при сухом [рении, механическая шлифовка и полировка, образивпый и трозийный износ, соударение микро-и ианочастиц между собой и с поверхностью твердых тел. тонкий помол и т. д.) подразумевают значительную локальную упруго-пластическую деформацию в субмикронных областях в условиях высоких скоростей
•
относительной деформации г (более 102с_|).
Однако физическая сущность процессов, протекающих в этих и подобных условиях, остается ВО МНОГОМ невыясненной. Г)то затрудняет ВОЗМОЖНОСТЬ соот-
