Πειραματική και θεωρητική μελέτη μηχανικών ιδιοτήτων και φαινομένων μεγέθους σε νανοδομές και λεπτά υμένια
Authors: Σιδηρόπουλος Αλέξανδρος 
Published: September 2021

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.