可延展压电薄膜基底结构界面脱粘的预测与调控

调控薄膜基底结构的表面不稳定性已被成功应用于制备可延展的新型电子设备中。然而,该类电子器件在工作中需要承受外部载荷作用,致使薄膜-基底结构界面处残余应力集中,容易诱发薄膜电子器件与基底脱粘与分层。该文将从理论分析和数值仿真角度,研究压电薄膜在柔性基底表面上的失稳特性。由于压电薄膜变形具有大位移小应变的特点,该文基于非线性Euler-Bernoulli梁理论与能量最小化原理,建立压电薄膜基底结构无屈曲、褶皱、局部屈曲及全脱层屈曲模式的理论分析模型;从能量角度定量分析了薄膜-基底结构4种模式相互演变的临界条件;通过数值仿真,验证了该文解析结的有效性,定量、定性的讨论了薄膜基底结构的材料、几何参数对4种模式演变的影响。研究结果表明:改变基底弹性模量、预应变、物理场强度和界面粘附系数能够调控压电薄膜基底结构的屈曲模式;通过调控温度变化量和电压的方式,能够实现对压电薄膜基底结构的失稳特性精细化调控。该文的研究结果将为提升薄膜基底型的电子器件的稳定性及优化设计提供理论支持。

薄膜基底结构界面裂纹应力和电场集中因子分析

为满足工程机械中对薄膜基底结构力学性能的精确评价,基于力电耦合有限元法对垂直于薄膜基底结构间界面裂纹问题进行分析。研究了力电载荷作用下薄膜基底结构裂纹长度、厚度对裂纹尖端附近应力场和电场的影响,并对压电界面裂纹应力集中因子和电场集中因子进行求解。数值算例结果表明:电场强度在裂尖附近靠近薄膜的地方电场集中明显,且薄膜内的电场强度值大于基底内的值;随着界面处裂纹长度的增大,应力分量及电场强度值越大;薄膜与基底厚度比越小,应力分量及电场强度值越大,且变化越来越明显。

基于辛Runge-Kutta方法的棋盘形褶皱二维薄膜-基底结构动力学特性研究

基于力学屈曲原理的褶皱薄膜-基底结构已成功应用于制备可延展无机电子器件。然而,该类电子器件在应用时需要服役于复杂动态环境中,针对棋盘形褶皱薄膜结构的动力学问题鲜有研究,此问题又是该类电子器件走向实际应用需要解决的关键问题之一。本文首先采用能量方法,分别计算了二维薄膜的弯曲能、膜弹性能和柔性基底中的弹性能以及薄膜动能;然后采用拉格朗日方程,推导出了该结构的振动控制方程;而该方程为非线性动力学方程,无法给出其解析解;因此,本文采用辛Runge-Kutta方法对其进行数值求解;数值结果表明,辛数值方法具有长期稳定的特性和系统结构特性,为高精度的可延展电子器件的动力学问题研究提供了优异的数值方法。

双层薄膜与弹性梯度基底三层结构表面失稳分析

硬薄膜/软基底结构的表面失稳问题一直是柔性电子器件的难题,基于此,本文考虑了双层结构与弹性梯度基底间的界面剪切力,建立了双层薄膜/弹性梯度基底模型;利用位移协调条件,理论推导得到了双层薄膜/弹性梯度基底结构的临界应变和失稳波长的表达式并通过有限元仿真,验证了本研究解析解的有效性。在此基础上,应用此解析解进一步研究了弹性梯度基底的材料、双层薄膜结构厚度比等参数对临界应变和波长的影响。结果表明:减小器件层的厚度或者增加封装层的厚度,可以提高双层膜/弹性梯度基底结构的稳定性;当弹性梯度材料基底表面“较软”或器件层“较硬”时,器件层与基底界面的剪切力的影响较大,可以提升三层膜/基结构抵抗界面破坏的能力。本研究成果将为硬薄膜/弹性梯度基底结构的柔性电子器件的制备提供理论支撑。

有限尺寸硬薄膜/软基底的屈曲分析

附着在柔软基体之上的硬薄膜,在受轴向压缩超过临界值时会发生屈曲,在表面产生褶皱.根据Kirchhoff-Love板理论和最小势能原理,分析了有限尺寸薄膜/无限大基底结构的几何尺寸及材料常数对屈曲行为的影响.结果表明临界屈曲应变随薄膜泊松比或薄膜宽度的增大而增大;当薄膜长度较小时,临界屈曲应变随薄膜长度的改变而呈现振荡式变化,而当薄膜长度较大时,临界屈曲应变趋于定值.同时,薄膜泊松比的增大会导致褶皱幅值略微减小,但不改变幅值与波长之比;薄膜宽度的增加会使得褶皱幅值在沿宽度方向变化更明显;当外加应变较小时,褶皱幅值随弹性常数比的增大而增大,当外加应变较大时,褶皱幅值受弹性常数比的影响变得微弱.

透明薄膜/基底系统激光超声波的有限元数值研究

在分析了网格大小和时间步长这两个重要参数和求解稳定性的基础上,采用有限元方法建立了透明薄膜/基底系统的热传导方程和热弹性方程的有限元模型。考虑了薄膜和基底的物理参数随温度的变化,得到了激光照射透明薄膜/基底系统温度场空间分布,由此计算出由热弹效应激发的超声对心波形。结果表明,透明薄膜厚度的增加,会影响到激光激发的对心超声波形;当薄膜厚度增大时,对心超声波形中的双极脉冲波形振幅变大,波形宽度加大。该方法为透明薄膜/基底系统的定量检测和无损评价提供了理论依据。

双复合材料结构基底厚度对薄膜裂纹的影响

针对薄膜-基体双复合材料结构的薄膜裂纹问题,研究了薄膜材料的力学行为,进行了裂纹垂直于薄膜与基底交界面,且尖端未达到交界面情形下问题的分析。基于Beuth理论,把模型简化为平面应变问题,并通过有限元分析程序评价了具有裂纹的薄膜-基底双复合材料结构的断裂机理,得到了薄膜与基底不同的弹性错配及薄膜与基底的不同的厚度比率,对薄膜裂纹应力强度因子的影响。结果表明:随着hs/hf的减小,应力强度有很大幅度的提高,当hs/hf≥10时,基底的厚度对薄膜裂纹的影响较小,可以忽略不计;当薄膜-基底结构退化为单一材料时,应力强度因数趋向于1。

内嵌弹性区和结合力模型在薄膜/基底界面断裂中的应用

薄膜 /基底结构是微电子学和材料科学中广泛应用的典型结构。由于加工工艺中材料力学、热学性能失配等原因导致的薄膜中出现的残余应力 ,是界面裂纹的萌生和扩展的重要原因。采用三参数 (Γ0 ,σ/ σy,t)的修正的断裂过程区结合力模型 ,讨论了在塑性氛围下裂尖解理断裂的过程 ,裂尖应力分布 ,裂尖形貌和表征裂纹尖端断裂过程区特征参数对断裂过程的影响 ,并应用到均质金属薄膜

柔性基底薄膜在磁控溅射镀膜领域的应用研究

聚乙烯醇(PVA)薄膜、聚酰亚胺(PI)薄膜、聚酯(PET)薄膜是磁控溅射时使用的几种典型柔性基底薄膜,其主要性能参数有耐温、放气率、拉伸强度和复合强度等,这些性能的好坏是选用磁控溅射柔性基底薄膜的重要标准。本文通过对比磁控溅射镀膜时所用的几种柔性基底薄膜的使用性能,给出了适合磁控溅射制备微屑的柔性基底薄膜和制备多层膜的柔性基底薄膜。

韧性薄膜/基底体系锥形压痕的有限元分析

使用量纲分析和有限元法探讨了圆锥性压头压入韧性薄膜/韧性基底体系的力学响应.根据量纲分析,我们建立了压入响应和薄膜及基底的力学参量的无量纲关系.通过对压痕曲线的几个关键变量研究,发现最大压痕荷载取决于压入的深度、薄膜和基底的弹塑性性能,当压入适当深度时初始卸载斜率不受基底的屈服强度的影响.这些结论有利于深入研究韧性薄膜/韧性基底体系的压痕过程,提供了一种从锥形压痕试验中获得薄膜和基底的力学性能的方法.

薄膜-基底式管材中脉冲激光产生的温度场

基于材料的热物理参数随温度的变化,用有限元方法对脉冲激光作用于薄膜-基底式双层管状材料时产生的温升进行了数值计算.采用铝薄膜和有机玻璃为基底的慢基底快涂层式组合,分别得到了不同时刻薄膜铝和基底有机玻璃中的温度场随径向和周向的分布曲线.计算结果表明:如果薄膜的热扩散系数远大于基底的,则基底中的温升远小于薄膜中的温升,可忽略不计;薄膜中沿周向除了激光辐照范围外,有意义的温升范围很小.

柔性基底Ti／TiO2薄膜的可见光谱及红外辐射特性研究

采用多弧离子镀法在柔性聚酰亚胺(PI)基底上制备了Ti/TiO2复合多层薄膜,通过控制基底材料的粗糙度使制备出的薄膜在可见波段具有非镜面反射效果。通过分别控制薄膜的内层和外层膜的厚度使其在8～14μm波段具有连续可调的红外发射率。采用扫描电镜、X射线衍射、紫外-可见-近红外光光度计等测试手段对薄膜样品进行了表征,并测试了样品的红外发射率。实验结果表明,采用多弧离子镀法成功的在PI基底上制备了结合力较好、具有多种颜色、红外发射率和方块电阻连续可调的薄膜。研究发现,在外层TiO2膜工艺不变的情况下,随着内层Ti膜厚度增加,红外发射率和方块电阻连续减小;在内层Ti膜工艺不变的情况下,随着外层TiO2膜厚度增加,红外发射率和方块电阻连续增大。

弹性薄膜—基底结构界面裂纹的能量释放率

为研究弹性薄膜与基底交界面的薄膜裂纹问题,基于Beuth理论,将薄膜—基底结构的三维模型简化为平面应变模型,利用有限元分析程序计算薄膜裂纹断裂能量释放率Gs,并分析薄膜与基底的弹性错配及厚度比率对Gs的影响。结果表明:β=α/4时,Gs的幅值随着α(-1<α<1)的增大而增大。当α为负值时,Gs具有稳定性;反之,Gs具有不稳定性。Gs随着薄膜厚度的增加而增加,当hs/hf>2时,其变化较小。该研究为工程实践提供了理论参考。

表面热源作用下的薄膜/基底结构的应力分析

在固体力学领域,薄膜/基体结构的应力分析是一个经典的问题,有很多研究者对薄膜/基体结构的失配应力、曲率以及它们之间的关系进行了详尽的分析。本文给出了薄膜/基底结构在非均匀局部表面热载荷作用下的温度和应力分布的基本解,并得到了广义Stoney公式来描述薄膜/基底结构在非均匀温度下的应力和曲率之间的关系。

超弹性薄膜与可压缩基底双层结构表面失稳分析

当上层超弹性硬质薄膜和下层可膨胀基底构成的双层结构受压时,薄膜的自由表面可通过形成褶皱降低系统能量.研究表明,上下两层的模量比不同时,上层弹性硬质薄膜将表现出不同的表面失稳模式.本文提出了一种新颖的方法可有效抑制双层软材料的表面失稳,即改变基底材料的泊松比,这种方法同时适用于不具有应变硬化的软材料.首先基于Neo-Hookean模型发展了小变形条件下双层结构表面失稳的理论模型,通过半解析的方法得到了表面失稳的临界应变;然后通过有限元计算与模拟,进一步验证了负泊松比基底可延缓表面失稳.结果表明:(1)当双层结构基底泊松比为正且趋于0.5(不可压缩)时,双层结构在较小的压缩应变下出现表面失稳;(2)当基底的泊松比为负且趋于-1时,可被压缩至46%而不出现表面失稳,即可膨胀基底能有效抑制薄膜的表面失稳.本文发展的方法及主要结果可为延展性电子器件的设计提供指导.

非共面薄膜-基底结构多层封装及延展性分析

为减小柔性电子中非共面薄膜-基底结构因封装而导致的延展性下降,提出一种多层封装结构形式,并对其延展性进行了研究.通过对薄膜上下表面附近采用不同力学特性的聚二甲基硅氧烷(PDMS),形成层状封装结构.在将薄膜及其上下封装层简化为复合梁的拉-弯组合变形问题的基础上,采用有限元法计算了上下封装层的厚度、弹性模量等相关参数对结构整体延展性的影响.计算结果表明:上封装层弹性模量减小、厚度增加有利于改善延展性;下封装层的弹性模量适度高于基本封装材料且厚度合适的情况下可较大幅度提高结构延展性,而若弹性模量过高或厚度过大则可导致延展性的大幅下降.该多层封装结构设计和分析结果对于优化柔性电子器件结构具有参考和指导意义.

基于内聚力原理的薄膜/基底与微悬臂梁粗糙面间接触分析

为提高射频微机电开关(RF MEMS SWITCH)的稳定性和可靠性,进一步深入了解接触式射频微机电开关接触特性。基于内聚力原理,运用ABAQUS 6.13建立了薄膜/基底与微悬臂梁间粗糙接触表面的接触-分离模型;动态分析加卸载过程中薄膜/基底接触力、接触位移、破坏变形等变化规律。结果表明:在单次加卸载过程中,薄膜/基底与微悬臂梁间存在多次明显接触-分离现象,并伴随着极大的冲击力,而多次激烈冲击不利于系统的稳定接触性能。在接触过程中,薄膜承受了大部分外载,所受的vonMises等效应力值大于基底受到的von Mises等效应力值。界面层损伤规律表现为明显的阶梯型,且其突变点受冲击力影响。

各向异性硬质薄膜/柔软基底系统的表面屈曲分析

目的研究有限尺寸矩形正交各向异性薄膜/基底系统在单向压缩下的表面屈曲。方法采用Kirchhoff-Love薄板理论和von Kármán板理论分析了临界应变和后屈曲形貌演化,考察了材料的各向异性性质及薄膜的几何参数对表面屈曲行为的影响。结果一般来说,薄膜/基底系统的初始屈曲总是对应于多个波峰,在薄膜长度相同的条件下,薄膜宽度的改变可以影响波峰的数目。在薄膜的各向异性性质特别强烈的时候,薄膜/基底结构表现出一些显著的特点。其中之一是在外加应变超过临界应变之后,边缘幅值随着薄膜宽度的增大而增大,而中心幅值则急剧减小。结论中心和边缘幅值的差距越来越大,最终导致薄膜后屈曲形貌幅值在宽度方向上的巨大差异,并预示随着外加应变的逐渐增大,宽度方向可能演变出其他的屈曲模式。

Al_2O_3基陶瓷及玻璃基底制备Ta-N薄膜微结构与电学特性的比较研究

在N2、Ar气氛中,采用反应直流磁控溅射法在Al2O3基陶瓷及玻璃基底上制备了Ta-N薄膜,并对各样品的形貌结构、化学组分及电学特性进行了比较分析研究。结果表明,沉积于Al2O3陶瓷及玻璃基底的Ta-N薄膜分别呈团簇状生长与层状紧密堆积生长;Al2O3陶瓷基底沉积的Ta-N为单相薄膜,而玻璃基底上的Ta-N薄膜,随N2、Ar流量比增加,呈单相向多相共存转变;薄膜表面形貌和微结构与基底材料的原始形貌和微结构紧密相关,这说明基底材料对薄膜的形成有重要的影响;N2、Ar流量比相同时,玻璃基底上沉积的Ta-N薄膜电性能优于Al2O3基陶瓷基底上沉积的Ta-N薄膜。

两种不同结构立方纳米银基底的SERS效应

采用水热还原法制备得到了立方纳米银晶粒,并用两种不同方法将其制备成基底,两种基底的形貌存在很大差异,一种基底上纳米粒子产生聚集,其聚集体呈单分散分布,另外一种为连续膜。以玫瑰精(RhB)为探针分子测定了基底的SERS效应,发现前者有更好的增强效果,并且对增强机制进行了解释。