Список літератури. 1. Палатник Л.С. Механизм образования и субструктура конденсированных пленок / Л.С

 

1. Палатник Л.С. Механизм образования и субструктура конденсированных пленок / Л.С. Палатник, М.Я. Фукс, В.М.Косевич.- М.: Наука, 1972.- 319 с.

2. Гоффман Р.У. Механические свойства тонких конденсированных пленок/ Физика тонких пленок, т.3: под ред. Г. Хааса и Р.Э. Туна.- М.: Мир, 1968.- С. 225 – 298.

3. Проценко І.Ю. Технологія одержання і застосування плівкових матеріалів: навч. посібник / І.Ю.Проценко, Н.І. Шумакова. – Суми: Вид-во СумДУ, 2008. – 198 с.

 

 

Лабораторна робота 4

ДОСЛІДЖЕННЯ МЕХАНІЧНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ МЕТАЛЕВИХ ПЛІВОК (АДГЕЗІЯ)

 

Мета роботи – вивчити методику вимірювання адгезії металевих плівок (хром, мідь, алюміній), визначити величину адгезії на скляній підкладці.

Елементи теорії

1. Загальна інформація. Починаючи з кінця 40-х років, ХХ ст., проводяться активні дослідження механічних властивостей тонких металевих плівок, таких, як міцність, макронапруження, адгезія та ін. Із усіх механічних властивостей, мабуть, найбільш важливою є адгезія. За її відсутності ми взагалі не зможемо проводити дослідження інших властивостей. Крім того, адгезія повністю обумовлює довговічність різних плівкових елементів. Дослідження різних авторів показали, що плівки таких металів, як хром, магній, цирконій і т.п., мають високу адгезійну здатність на скляних підкладках. Відмітимо, що всі ці метали дуже активно взаємодіють із киснем. Поряд із цим плівки благородних металів – золота, платини, срібла і т.п. – мають погані адгезій ні властивості.

Хороша адгезія плівок із металів, які активно окиснюються, пояснюється тим, що окисли металів розчиняються у склі, що і спричиняє адгезію. Поряд із цим адгезія плівок практично всіх металів помітно змінюється з часом у бік збільшення своєї величини (від 2 до 5 разів).

Усі метали можна розмістити в порядку збільшення адгезії на склі таким чином: Sn, Pb, Au, Zn, Ag, Cd, Cu, Al, Ni, Mn, Fe, Cr, Mg, Zr, Mo.

2. Методи вимірювання адгезії. Механічні методи вимірювання адгезії досить прості і наочні. Якщо виміряти роботу, яка затрачується для відриву плівки від підкладки, то звідси можна визначити величину адгезії (за одиницю вимірювання можна брати кг/м²). До механічних методів належать методи відшарування, стирання, перевантаження і т.п. У таблиці 1 наведені дані про деякі механічні методи визначення адгезії.

Суть методу відшарування (метод Стронга (1945р.)) полягає в такому. Для проведення вимірювань шматочок клейкої стрічки припресовується до плівки. Якщо плівка відшаровується від підкладки, то, знаючи зусилля, яке буде прикладено, можна розрахувати величину адгезії (А). На рисунку 1 зображена схема установки для проведення таких вимірювань. Для одержання коректних результатів необхідно величину А, одержану при різних кутах, проекстраполювати на нульовий кут та нульову швидкість відшарування. Без екстраполяції результати вимірювань будуть відрізнятися від одного до іншого експерименту.

3. Природа сил адгезії. Експериментальні результати свідчать про те, що залежно від конкретної системи плівка/підкладка величина А може змінюватися в 100-1000 разів. Високі значення адгезії неможливо виміряти методами «стрічки» або перевантаження. У цьому випадку необхідно використовувати інші методи. Для пояснення фізичної природи адгезії необхідно розглядати випадки низьких та високих значень А.

 

Рисунок 1 – Схема приладу для дослідження адгезії плівки

 

У першому випадку в адсорбованих атомів не відбувається руйнування електронних оболонок, і сили взаємодії з атомами підкладки мають характер ван-дер-ваальсових сил. Це буде фізична сорбція. Вона проявляє себе до значення енергії взаємодії Е < 0, 4 еВ. При E > 0, 4 еВ виникає такий розподіл електронів на орбітах, що зумовлює виникнення вже хімічної сорбції.

У 1930 році Лондон показав, що енергія фізичної сорбції атома плівки і атом підкладки можуть бути виражені співвідношенням

 

(1)

 

де α – поляризованість атома; ν – характеристична частота коливань атома; r₀ – рівноважна відстань між атомами плівки та підкладки.

 

 

Таблиця 1 – Методи вимірювання адгезії [1]

	Метод	Принцип
	Згинання	Підкладку згинають до відокремлення плівки
	Здавлювання	Підкладку здавлюють до відокремлення плівки
	Стирання	Поверхню плівки шліфують до її відокремлення від підкладки
	Нагрівання та охолодження	Нагрівання підкладки з плівкою та охолодження дозволяють зняти плівки завдяки термічним макронапруженням
	Scratch (царапать (рос.); шкрябати (укр.))	На плівку наносять канавки, відстань між якими зменшується до відділення плівки від підкладки
	Вдавлювання	Підкладку вдавлюють з протилежного боку плівки до відшарування її від підкладки
	Відшарування (метод «стрічки»)	Плівку відокремлюють від підкладки, використовуючи накладку із адгезійної стрічки
	Перевантаження	Плівка відокремлюється від підкладки завдяки ультра-звуковим коливанням при розміщенні в центрифузі та ін.

У розрахунку на одиницю поверхні середня енергія сорбції дорівнює

(2)

 

де N – число атомів плівки на одиницю поверхні.

Рівняння (2) Лондон спростив до вигляду, який дозволяє проводити обчислення E_aд. Він показав, що характеристичні енергії та можна замінити потенціалом іонізації. Тоді

 

(2')

 

Розрахунки для плівок благородних металів на скляній підкладці дають E_aд = 0, 1 еВ.

Як показав Вейл, мають місце три випадки хемосорбції: епітаксіальний ріст плівки на підкладці; формування проміжного шару, який зумовлює безпосередній перехід атомів із решітки підкладки у решітку плівки; утворення пари металева плівка/іонна підкладка.

Другий випадок вважається багатьма дослідниками основною причиною хемосорбції.

 

Методичні вказівки. Для визначення величини А найкраще взяти за матеріал плівки Cu, Al або Cr. Товщина плівки повинна мати величину в інтервалі 60-100 нм, що запобігатиме відшаруванню плівки при Т_п 300 К. У зв’язку з тим, що метод «стрічки» не завжди дозволяє з першого разу одержувати величину А, необхідно за один технологічний цикл одержати 5-6 плівок, на яких достатньо провести 3-4 вдалих експерименти. Побудувавши залежність при якійсь постійній швидкості відшарування, проекстраполюйте її на нульовий кут φ, що дозволить визначити тангенціальну складову () адгезії. Відмітимо, що при =0 отримуємо нормальну складову () адгезії. Одержані результати необхідно подати у вигляді таблиці 2 та графіка .

 

Таблиця 2 – Результати вимірювання адгезії

	Товщина, нм	φ, град	Зусилля, кГ	Площа, м2	А, кГ/м2