Μοντελοποίηση θλίψης μίκρο- και νάνο-κολώνων
Creators: name: Παπασάββας, Ηρακλής Αθανασίου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2024
Subjects: Θλίψη
Κολώνες
Μοντελοποίηση
Compression
Pillars
Modeling

description: Ο χαρακτηρισμός των ιδιοτήτων των υλικών είναι ιδιαίτερα σημαντικός ιδίως σε μίκρο και νάνο κλίμακα, γιατί μπορεί να έχει διάφορες εφαρμογές όπως σε αισθητήρες και ιατρικές συσκευές. Η παρούσα διπλωματική εργασία εστιάζεται στις μηχανικές ιδιότητες και κυρίως στο μέτρο ελαστικότητας Ε με χρήση τεχνικών όπως η νανοδιείσδηση (nanoindentation) και κυρίως η θλίψη μικροκολώνων (micropillar compression).. Επισημαίνεται η επίδραση της ελεύθερης επιφάνειας στις κλίμακες αυτές και παρουσιάζονται πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα των τεχνικών. Επιπλέον, αναφέρεται η ανάγκη για ένα μοντέλο που διορθώνει αποκλίσεις στα αποτελέσματα λόγω των προβλημάτων που προκύπτουν από τις τεχνικές. Μία ευρέως χρησιμοποιούμενη τεχνική για κατασκευή μικροκολώνων είναι η τεχνική του Focused Ion Beam (FIB). Το κυριότερο χαρακτηριστικό της είναι ότι η δέσμη ιόντων που δημιουργεί είναι σε θέση να αφαιρεί υλικό-άτομα από την επιφάνεια δείγματος. Συνήθως για την εξαγωγή του μέτρου ελαστικότητας γίνεται χρήση της νανοδιείσδυσης που ένας indenter εφαρμόζει φορτίο στην επιφάνεια ενός δοκιμίου, με τη γεωμετρία του να αποτελεί βασικό παράγοντα για την ακριβή ανάλυση των αποτελεσμάτων με οποιοδήποτε θεωρητικό μοντέλο. Η τεχνική της θλίψης μικροκολώνων προτείνεται για τη μέτρηση μηχανικών ιδιοτήτων υλικών σε μίκρο και νανο-κλίμακες. Παρόλα αυτά, υπάρχουν προβλήματα που πρέπει να ληφθούν υπόψη, όπως η γεωμετρία του δείγματος, το dislocation starvation, τα φαινόμενα μεγέθους και άλλα. Παρατηρείται υποτίμηση ή υπερτίμηση του μέτρου ελαστικότητας σε σύγκριση με το bulk υλικό. Μοντέλα, όπως το μοντέλο του Sneddon και εμπειρικά μοντέλα π.χ. Ramberg-Osgood, χρησιμοποιούνται ευρέως, ενώ και ο πολλαπλασιασμός των αποτελεσμάτων με κάποιον παράγοντα συχνά πραγματοποιείται για διόρθωση. Όπως παρουσιάζεται υπάρχουν διάφορες προσπάθειες διόρθωσης των αποκλίσεων στις μετρήσεις του μέτρου ελαστικότητας Ε αναλύοντας αποτελέσματα και συγκρίνοντας τα με θεωρητικές τιμές. Λόγω των μη ικανοποιητικών αποτελεσμάτων στο τέλος της παρούσας εργασίας παρουσιάζεται μια βελτιωμένη προσέγγιση-μοντέλο, με βάση γεωμετρικούς παράγοντες, με σκοπό να διορθώσει την παραμόρφωση (strain) σε διαγράμματα τάσης παραμόρφωσης (stress-strain) άρα και το μέτρο ελαστικότητας Ε μέσω της κλίσης στην αρχική ελαστική περιοχή. Με την χρήση του μοντέλου αυτού έγινε διόρθωση διαφόρων αποτελεσμάτων.
description: The characterization of material properties is particularly important, especially at micro and nanoscales, as it can have various applications such as in sensors and medical devices. This thesis focuses on the mechanical properties, primarily the elastic modulus (E), using techniques like nanoindentation and, more specifically, micropillar compression. The influence of the free surface on these scales is emphasized, and the advantages and disadvantages of these techniques are presented. Additionally, the need for a model to correct deviations in results due to issues arising from the techniques is discussed. The Focused Ion Beam (FIB) technique is one of the mostly used methods for micropillar compression creation. Therefore, a theoretical study of this technique is deemed essential. The primary characteristic of FIB is that the ion beam it generates can remove material atoms from the sample surface. Typically, the indentation test is used to extract the elastic modulus, where an indenter applies load to a material, and the geometry of the indenter is crucial. Hence, precise analysis of the results with a theoretical model is necessary. Micropillar compression is proposed for measuring the mechanical properties of materials at micro and nanoscales. However, there are issues to consider, such as sample geometry, dislocation starvation, size effects, and more. Underestimation or overestimation of the elastic modulus compared to bulk material is observed. Models like the Sneddon model and empirical models (e.g., Ramberg-Osgood) are widely used, and results are often multiplied by a factor for correction. As presented, various attempts are made to correct deviations in E measurements by analyzing and comparing results with theoretical values. Due to unsatisfactory results, an improved approach-model is presented at the end of this work, based on geometric factors, aiming to correct strain in stress-strain diagrams and thus the elastic modulus through slope correction. This model was used to correct various results.