TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN BỘ MÔN VẬT LÝ ỨNG DỤNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN BỘ MÔN VẬT LÝ ỨNG DỤNG VẬT LÝ MÀNG MỎNG Các phương pháp đo các tính chất của GVTH: PGS. TS. LÊ VĂN HIẾU HVTH: PHAN TRUNG VĨNH

 Độ gồ ghề (Roughness)  Độ mài mòn (Erosion)  Độ hao mòn/Độ oxy hóa (Corrosion/Oxidation)  Các tính chất điện (Electronic Properties)  Các đặc tính ma sát (Frictional Characteristics)  Độ xốp (Porosity)  Sức căng còn dư (Residual Stress)  Độ gắn kết (Cohesion)  Vết nứt/Sai hỏng (Crackinh/Defect)  Đa lớp (Multilayers)  Các thành phần sắp xếp (Graded Composition)  Độ bám dính (Adhesion)  Tính chất quang Màng (Coating) Lớp xen phủ màng-đế Đế (Substrate)  Độ bám dính (Adhesion)  Các tính chất của đế (Substrate Properties)  Độ giãn nở không đều (Expansion Mismatch)  Sự khuyếch tán qua lại (Interdiffusion)  Các rào thế khuyếch tán (Diffusion Barriers)  Độ sạch/Độ gồ ghề (Cleanliness/Roughness) Hình 1: Một vài tính chất quan trọng của hệ màng-đế trong các ứng dụng công nghệ Độ cứng (Hardness) MÀNG CƠ Độ bám dính (Adhesion)

1. Các phương pháp đo độ cứng Sự biến dạng không đàn hồi (Plastic Deformation) Độ cứng của vật liệu Đ/N Tác nhân bên ngoài Tính chống lại Sự mài mòn Độ dày màng Tùy thuộc Phương pháp Rockwell Thang đo Phương pháp Brinell Macro Màng dày (>10μm) Phương pháp Vickers Phương pháp đo trực tiếp Phương pháp Knoop Micro Phương pháp Mohs Màng mỏng (<10μm) Nano Mô hình Luật hòa hợp thể tích (Volume Law-of-mixtures Model) Hiệu chỉnh SAI SỐ LỚN

Nguyên tắc chung của các phương pháp đo độ cứng của màng Indenter Lực ấn Lực đẩy Màng (Coating) Lớp xen phủ màng-đế Đế (Substrate)  Dùng 1 đầu khắc (indenter) có thể điều khiển đặt tiếp xúc vuông góc với màng  Áp 1 lực tăng dần lên đầu khắc (load), đầu khắc xuyên vào trong màng ngày càng sâu  Ngắt lực ấn (unload), do tính đàn hồi của màng, đầu khắc bị màng đẩy ra với 1 lực nhất định. Hình dạng đầu khắc, độ sâu vết khắc, lực ấn, lực đẩy đầu khắc  ĐỘ CỨNG CỦA MÀNG

Sơ đồ 1 hệ đo độ cứng màng (Hệ Nanoindenter)  Mẩu màng được đặt trên 1 cái bàn, bàn được điều khiển dịch chuyển theo phương x, y (bước dịch chuyển là 100nm) bằng máy tính  Đầu khắc (Indenter) được lắp vào một cần trục, trục này được điều khiển lên xuống nhờ hiệu ứng áp điện  Khi đầu khắc đâm vào màng, mọi di chuyển của đầu khắc đều được bộ cảm biến ghi nhận  Hệ thống được làm lạnh để tránh ảnh hưởng của nhiệt độ

Hình dạng vết khắc trên màng với indenter hình chóp tam giác  Đầu khắc (Indenter) là một khối kim cương có hình dạng nhất định  Tín hiệu cơ thể hiện dịch chuyển của đầu Khắc được chuyển sang tín hiệu điện, đến máy tính xử lý Sơ đồ hệ đo độ cứng màng (Hệ Nanoindenter)

Lực áp lên đầu khắc Độ sâu của đầu khắc (Indenter) trong màng  Đường màu đỏ: Áp lực lên đầu khắc. Độ xuyên sâu vào màng tăng dần theo lực áp.  Đường màu xanh: Ngắt áp lực lên đầu khắc. Đầu khắc bị đẩy ra ngoài (độ sâu giảm dần) với lực giảm dần

Đường biểu diễn áp lực-độ dịch chuyển Indenter của 3 mẩu màng phủ Cu nano trên đế Si tại 3 trạng thái kết tụ (agglomera -tion) khác nhau a) Kết tụ mạnh b) Kết tụ trung bình c) Kết tụ yếu  Nhận xét: Mẩu kết tụ mạnh thì đường biểu diễn càng dốc, tức áp lực đặt lên indenter tăng càng nhanh theo độ sâu vào trong mẫu, tức là màng càng cứng.  Kết luận: Vật liệu có đường biểu diễn Áp lực-độ dịch chuyển càng lệch về phía trái thì có độ cứng càng cao

Các phương pháp đo độ cứng của vật liệu PHƯƠNG PHÁP ROCKWELL 1200 E = 130 E = 100 Indenter là quả cầu thép hay có dạng hình nón bằng kim cương (góc nón 1200), đường kính 0,2mm, được gọi là Brale. F0 d = d2 d0< d2 < d1 F0  Indenter được áp vào vật liệu 1 lực nhỏ F0 = 10kgf*.  Ngắt lực lớn F1, vẫn giữ lực F0, độ xuyên sâu giảm d = d0 F0  Khi đạt trạng thái cân bằng, độ đâm xuyên được set về 0. Độ cứng Rockwell: d = 0 F1 HR = E – e F0  Một lực lớn được áp vào indenter, độ đâm xuyên tăng d = d1 E = const, tùy thuộc loại indenter e = d2 – d0 *kgf: kilogram-force; 1 kgf = 9,80665 Newton

 Độ cứng Rockwell không có đơn vị mà chia theo các thang đo A, B, C, D,... Thang đo càng cao, vật liệu càng cứng. Typical Application of Rockwell Hardness Scales HRA . . . . Cemented carbides, thin steel and shallow case hardened steelHRB . . . . Copper alloys, soft steels, aluminium alloys, malleable irons, etc.HRC . . . . Steel, hard cast irons, case hardened steel and other materials harder than 100 HRBHRD . . . . Thin steel and medium case hardened steel and pearlitic malleable ironHRE . . . . Cast iron, aluminium and magnesium alloys, bearing metalsHRF . . . . Annealed copper alloys, thin soft sheet metalsHRG . . . . Phosphor bronze, beryllium copper, malleable irons HRH . . . . Aluminium, zinc, leadHRK . . . . }HRL . . . . }HRM . . . .} . . . . Soft bearing metals, plastics and other very soft materialsHRP . . . . }HRR . . . . }HRS . . . . }HRV . . . . }

PHƯƠNG PHÁP BRINELL D  Một quả cầu thép hay tungsten carbibe (D = 10mm) được ép vào bề mặt vật liệu một lực 500 – 3000kg (tùy vật liệu) trong khoảng 30s. F  Sau đó lấy quả cầu đi, đường kính vết lõm trên vật liệu được đo bằng kính hiển vi R1 = D1/2 Chỉ số độ cứng Brinell: Lực tác dụng F: lực tác dụng D: đường kính indenter D1: đường kính vết lõm gây ra bởi indenter BHN = Sbề mặt vết lõm HBS 10/100: indenter bằng thép, D = 10mm, F = 100kg HBW: indenter bằng tungsten

PHƯƠNG PHÁP VICKERS  Indenter là mẩu kim cương hình kim tự tháp, góc 2 mặt đối diện là 1360. Indenter được áp vào vật liệu với lực từ 1 – 100 kg trong 10 giây.  Sau đó indenter được lấy ra, kích thước vết lõm trên vật liệu được đo bằng kính hiển vi. Chỉ số độ cứng Vickers Lực tác dụng F: lực tác dụng A: diện tích vết lõm d: chiều dài trung bình của đường chéo vết lõm do indenter để lại HV = Diện tích vết lõm xxxHVyyy: xxx là độ cứng, HV là thang Vickers, yy là lực tác dụng

Ảnh chụp SEM của vết lõm trên màng TiN dày 2μm phủ trên đế thép tinh khiết tạo bởi indenter Vickers tại các lực tác dụng khác nhau và độ xuyên sâu tương ứng Ảnh chụp SEM tiết diện của vết lõm tạo bởi indenter Vickers trong màng Molybdenum (Mo) đa tinh thể

PHƯƠNG PHÁP KNOOP  Tương tự như phương pháp Vickers, indenter là mẩu kim cương hình kim tự tháp có các góc 1360 và 172,50. Indenter được áp vào vật liệu với lực từ 1 – 100 kg trong 10 giây.  Sau đó indenter được lấy ra, kích thước vết lõm trên vật liệu được đo bằng kính hiển vi. Chỉ số độ cứng Knoop Lực tác dụng F: lực tác dụng A: diện tích vết lõm l: chiều dài đường chéo lớn nhất của vết lõm do indenter để lại HK = Diện tích vết lõm

PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH TÍNH MOHS  Phương pháp này lấy độ cứng của 10 loại khoáng vật khác nhau có trong tự nhiên để làm thang đo chuẩn. Trong đó, kim cương là cứng nhất và Talc là mềm nhất.  Cách xác định  Tìm 2 khoáng vật chuẩn liên tiếp trong thang Mohs  Lấy vật liệu cần đo cào lên bề mặt hai mẩu khoáng vật, khảo sát mẩu khoáng vật nào bị trầy  Độ cứng của vật liệu cần đo nằm ở giữa độ cứng của 2 khoáng vật.

Mô hình Luật hòa hợp thể tích (Volume Law-of-mixtures Model) Đối với màng mỏng, sự đóng góp của độ cứng của đế và độ cứng của lớp phân cách khi đo đạc càng lớn  Xây dựng mô hình để loại bỏ đóng góp của đế và lớp phân cách Ý tưởng chung  Sargent, Burnett, Rickerby Độ cứng đo được (màng & đế) Mô hình Luật hòa hợp thể tích (Volume Law-of-mixtures Model) Độ cứng của đế  Biểu thức liên hệ giữa độ cứng màng, đế và hệ màng-đế: Độ cứng của màng Trong đó: Hf là độ cứng của màng Hs là độ cứng của đế Hc là độ cứng của hệ màng đế

Trong đó: Hf là độ cứng của màng Hs là độ cứng của đế Hc là độ cứng của hệ màng đế Deforming Volume: Thể tích biến dạng Vf là thể tích biến dạng của màng Vs là thể tích biến dạng của đế V là thể tích biến dạng toàn phần n = 1/2 đến 1/3 (TN) χ là thừa số thực nghiệm, được xác định: Ef là ứng suất* của màng; Es là ứng suất của đế Vf Vf Vs Vs * Ứng suất là nội lực tồn tại bên trong vật thể, xuất hiện khi vật thể bị biến dạng và có khuynh hướng chống lại sự biến dạng đó.

14μm TiN/Thép tinh khiết Đường cong nội suy thể hiện sự biến đổi độ cứng của màng theo lực tác dụng lên indenter đối với màng TiN phủ trên đế thép tinh khiết độ dày 14μm. Sự biến đổi độ cứng Màng Hệ Màng-Đế Đế Lực tác dụng lên indenter (g) 2μm TiN/Thép tinh khiết Đường cong nội suy thể hiện sự biến đổi độ cứng của màng theo lực tác dụng lên indenter đối với màng TiN phủ trên đế thép tinh khiết độ dày 2μm. Màng Sự biến đổi độ cứng Hệ Màng-Đế Đế

2. Các phương pháp đo độ bám dính Đ/N Độ bám dính (Adhesion) Mức độ liên kết giữa 2 vật liệu Năng lượng cần thiết để phá vỡ liên kết giữa 2 vật liệu đo đạc Giữa màng và đế Lực căng cần thiết để bóc màng ra khỏi đế Phương pháp vết lõm (Indentation Test) Phương pháp phổ biến đo độ bám dính màng-đế Phương pháp cào (Scratch Test)

PHƯƠNG PHÁP VẾT LÕM Mẫu được làm lõm bằng indenter với nhiều lực tác dụng khác nhau  Lực tác dụng còn thấp Màng biến dạng đàn hồi cùng với đế  Lực tác dụng đủ lớn Màng bị nứt (crack). Mật độ vết nứt tăng khi tăng lực tác dụng. Ảnh chụp SEM của vết lõm trên màng TiN dày 2μm phủ trên đế thép tinh khiết Lực tác dụng lớn nhất mà màng chưa bị nứt  Độ bám dính

PHƯƠNG PHÁP CÀO Bề mặt mẫu được cào bằng 1 mũi nhọn với nhiều lực ép tăng dần cho đến khi lớp màng bị lấy đi hoàn toàn. L: lực tác dụng lên mũi nhọn Lc: lực tác dụng tới hạn, tại đó màng bị tách ra hoàn toàn L Lc Lc xác định độ bám dính của màng Substrate  Mũi nhọn: hình nón, R = 200μm, L = 1 đến 200N Macro Kích thước mũi nhọn  Mũi nhọn: hình nón, R = vài trăm nm đến vài μm; L = vài trăm μN đến vài chục mN Micro Lực tác dụng Nano  Mũi nhọn: hình kim tự tháp 3 mặt, R = 100nm; L = 10 đến 100μN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN BỘ MÔN VẬT LÝ ỨNG DỤNG