利用维氏和玻氏压头表征半导体材料断裂韧性

压痕法是测量材料断裂韧性(K_(IC))的常用方法之一,如何根据不同的材料、不同的压头选择适合的公式,是当前面临的一大问题.因此,在不同载荷下对单晶硅(111)和碳化硅(4H-SiC,0001面)这两种半导体材料进行了维氏微米硬度和玻氏纳米压痕实验,对实验产生的裂纹长度c进行了统计分析,并采用13个压痕公式计算材料的K_(IC),开展了微米划痕实验,验证压痕法评估半导体材料K_(IC)的适用性.研究结果表明:为了消除维氏压痕实验产生的c的固有离散性,需要多次测量取平均值;裂纹长度与压痕尺寸的比值随压痕载荷的增大而增大;材料的裂纹类型与载荷相关且低载荷下表现为巴氏裂纹,高载荷下表现为中位裂纹;与微米划痕实验得到的单晶硅和碳化硅材料的K_(IC)平均值(分别为0.96 MPa·√m和2.89 MPa·√m)相比,在同一压头下无法从13个公式中获得同时适用于单晶硅和碳化硅材料的压痕公式,但在同一材料下可以获得同时适用于维氏和玻氏压头的K_(IC)计算公式;基于中位裂纹系统发展而来的压痕公式更适合用于评估半导体材料的K_(IC),且维氏压头下的KIC与玻氏压头下K_(IC)的关系不是理论上的1.073倍,应为1.13±0.01倍.

小压深情形下玻氏压头面积函数的修正及硬度的测量

在传统的纳米压痕实验中,常采用已知折减弹性模量的标准试样经过多组压痕实验的方法求得面积函数A .然而,这种常用的方式所求得的面积函数,在压痕接触深度非常小的情形下会造成较大误差.本文针对玻氏压头,采用纳米压痕实验修正其在小压深范围内的面积函数,然后通过修正后的面积函数,使其在小压深范围内测量的材料硬度值接近于真实值.

反应烧结SiC陶瓷脆性去除特征及刻划力波动行为

主要研究不同加工深度及压头形状刻划条件下反应烧结碳化硅(RB-SiC)陶瓷脆性去除特征和刻划力波动行为之间的关系。采用半径分别为400nm的金刚石玻氏压头以及8.7μm的圆锥压头进行恒切深刻划,并利用扫描电子显微镜对刻划后的SiC陶瓷表面进行测量。最后,通过Daubechies小波进行横向力和切向力信号分解,并结合划痕表面损伤形式,给出不同细节信号及近似信号与加工损伤的联系。实验结果表明:对于圆锥压头,随着加工深度的增大,表面形貌为塑性挤出、微破碎和大面积表面破碎共存的形式。此外,在脆性断裂去除情况下,随着压头尖端半径的减小,破碎程度增加且刻划力信号能量由低频段逐渐扩散到整个频域。同时低频段的能量逐渐占据主要地位。不同程度的表面微破碎及边缘微破碎对刻划力细节信号分量贡献较大。反应烧结碳化硅结构本身差异以及缺陷引起的大面积断裂是刻划力波动能量的主要来源,而且随着加工深度的增大而增大。