Vật liệu phim được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như chất bán dẫn, lớp phủ, lưu trữ năng lượng, thiết bị y tế và quang điện, và hiệu suất và độ tin cậy của nó phụ thuộc rất nhiều vào sức mạnh liên kết giao diện. Các phương pháp đo lường truyền thống như thí nghiệm lột và kiểm tra vết trầy xước vi mô thường bị hạn chế trong việc kiểm tra cài đặt điều kiện làm việc và đặc tính vật liệu, và rất khó để đạt được đặc tính định lượng của năng lượng liên kết giao diện. Để đạt được mục tiêu này, Tiến sĩ Shatha từ Đại học Oxford và những người khác đã áp dụng hai phương pháp nanocarding và nanocarding, nghiên cứu một cách có hệ thống hành vi bóc vỏ giao diện của lớp phủ vonfram có độ dày khác nhau trên nền silicon và điều chỉnh tính toán năng lượng thông qua mô phỏng phần tử hữu hạn, cung cấp ý tưởng và phương pháp hỗ trợ mới để thực hiện đánh giá định lượng năng lượng giao diện.

Bài viết này có lớp phủ vonfram có độ dày khác nhau (1,5 μm so với 1,9 μm) được chuẩn bị bằng cách phún xạ magnetron trên cơ sở silicon và thử nghiệm nếp nhăn và trầy xước nano được thực hiện. Thử nghiệm nếp nhăn nano sử dụng đầu Berkovich để thực hiện các thí nghiệm nếp nhăn tương ứng trong khoảng tải thấp 50-400 mN và khoảng tải cao 100-1000 mN và ba tốc độ tải 52, 104 và 260 mN/s được thiết lập để nghiên cứu tác động của tốc độ căng thẳng. Kiểm tra vết trầy xước nano cũng sử dụng đầu Berkovich để thực hiện các thí nghiệm về vết trầy xước dưới tải trọng theo phương pháp tuyến tính 0-70 mN theo hai hướng "cạnh về phía trước" và "hướng về phía trước", với độ dài vết trầy xước được đặt ở 250 μm trong 30 giây.

Hình 1 Hình ảnh SEM của ba giai đoạn phá hủy vết lõm của các bộ phim có độ dày khác nhau (trái: 1,5 µm, phải: 1,9 µm): (a-b) Biến dạng dẻo; d) Tách biệt giao diện; (e-f) Phân mảnh lớp phủ

Hình 2 Đường cong dịch chuyển lực lõm cho các màng dày khác nhau (trái: 1,5 µm, phải: 1,9 µm): (a-b) Tải trọng thấp; (c-d) Tải trọng cao

B5-03=giá trị thông số Ki, (cài 3)

Các quan sát về hình dạng nếp nhăn được thực hiện bằng kính quét cho thấy màng vonfram-silicon thể hiện hành vi phá hủy ba giai đoạn điển hình trong quá trình nếp nhăn: giai đoạn ban đầu là sự biến dạng dẻo so với việc tạo ra các vết nứt xuyên tâm trên bề mặt (Hình 1 (a-b)); Khi tải trọng tăng lên, bước vào giai đoạn lột giao diện, tạo thành một gói trống vòng (Hình 1 (c-d)); Sự phân mảnh màng xảy ra ở giai đoạn cuối (Hình 1 (e-f)). Đường cong tải-dịch chuyển tương ứng cho thấy đường cong tương đối trơn tru trong điều kiện tải thấp, và đột biến rõ rệt trong điều kiện tải cao, tương ứng với quá trình phân mảnh của màng mỏng (Hình 2). Để định lượng năng lượng tước giao diện, nghiên cứu đã sử dụng phân tích năng lượng Malzbender, ngoại suy tuyến tính công việc không thể đảo ngược (Wirr) trong các giai đoạn khác nhau, phá vỡ tổng số Wirr thành công việc dẻo (Wp), công việc tước (Wd) và công việc phân mảnh (Wf). Tuy nhiên, ngoại suy tuyến tính truyền thống giả định sai rằng công việc dẻo luôn duy trì tăng trưởng tuyến tính với tải trọng, bỏ qua sự đóng góp biến dạng dẻo của lớp lót mềm khi độ sâu vết lõm tăng lên. Khi độ sâu ép tăng lên, năng lượng tiêu hao của nhựa cơ bản được tính sai vào công việc bóc vỏ giao diện, dẫn đến năng lượng bóc vỏ được đánh giá quá cao. Để tránh lỗi này, bài viết đã thực hiện mô phỏng phần tử hữu hạn trong đó giao diện không xảy ra bong tróc, hiệu chỉnh công việc dẻo của hệ thống màng mỏng, loại trừ hiệu quả sự can thiệp của biến dạng nền (Hình 4). Ngoài ra, bằng cách so sánh kết quả kiểm tra độ lõm nano ở các tốc độ tải khác nhau, người ta có thể thấy rằng đường cong lực lõm-dịch chuyển về cơ bản phù hợp với hình dạng vết lõm và sự khác biệt nhỏ trong kết quả xác định năng lượng lột (Bảng 1).

B5-05=giá trị thông số Kd, (cài 2)

Hình 5 Kết quả kiểm tra vết trầy xước nano cho các màng có độ dày khác nhau (trên: 1,5 µm, dưới: 1,9 µm): (a) Hình ảnh SEM về hình dạng bề mặt; (b) Thay đổi tải trọng phương pháp và hệ số ma sát theo thời gian

Trong thử nghiệm NanoScratch, lớp phủ bị vỡ đột ngột khi đạt đến tải trọng quan trọng và đi kèm với một đột biến trong hệ số ma sát (Hình 5). Nghiên cứu sử dụng mô hình Laugier để chuyển đổi tải trọng tới hạn thành cường độ liên kết giao diện và dựa trên cơ học đàn hồiTỷ lệ phát hành năng lượng căng thẳngLý thuyết cơ bản, tính toán năng lượng tách rời. Kết quả cho thấy năng lượng lột thu được từ kiểm tra vết trầy xước bị ảnh hưởng đáng kể bởi các thông số kiểm tra: tỷ lệ tải trọng và chiều dài vết trầy xước (dL/dx) tăng sẽ dẫn đến việc tăng tải trọng tới hạn và giảm năng lượng lột (Bảng 2); Hướng đầu của "cạnh về phía trước" sẽ đo tải trọng tới hạn và năng lượng tước cao hơn so với "hướng về phía trước" (Bảng 3). Mặc dù phương pháp vết trầy xước có thể được sử dụng trong nghiên cứu tương phản giữa các mẫu khác nhau, kết quả thường cao hơn kết quả vết lõm nano do bao gồm năng lượng vỡ màng và cực kỳ nhạy cảm với các điều kiện thử nghiệm, do đó có những hạn chế nhất định trong đánh giá định lượng.

Bảng 1 Thay đổi năng lượng lột để xác định nếp nhăn nano ở tốc độ tải khác nhau

Bảng 2 Thay đổi năng lượng lột xác định vết trầy xước nano theo các thông số trầy xước khác nhau

Bảng 3 Thay đổi năng lượng lột xác định vết trầy xước nano ở các góc cạo khác nhau

So sánh toàn diện hai phương pháp, Nano lõm kết hợp với phần tử hữu hạn hiệu chỉnh có thể cung cấp ổn định, định lượng giao diện năng lượng dữ liệu, và không nhạy cảm với tốc độ tải, cho thấy độ tin cậy tốt; Mặc dù vết trầy xước nano có thể mô phỏng hiệu quả điều kiện ma sát thực tế, nhưng do thành phần năng lượng phức tạp và phụ thuộc vào thông số mạnh mẽ, nó phù hợp hơn như một công cụ nghiên cứu định tính hoặc bán định lượng. Trên cơ sở này, có thể tiếp tục nghiên cứu về lớp phủ trong suốt dẻo dai (chẳng hạn như PC), kết hợp với quan sát tại chỗ và đường cong tải, phân biệt quá trình lột giao diện và phá vỡ cơ thể lớp phủ, để cải thiện độ chính xác của nhận dạng tải trọng quan trọng, để có được năng lượng lột giao diện chính xác hơn.