Общие закономерности деформации и разрушения тонких неорганических пленок и биологических мембран Хохлова, Анна Ивановна

Введение к работе

Актуальность темы. С развитием нанотехнологий и уменьшением размеров микроэлектронных и микромеханических устройств все более актуальной становится проблема устойчивости тонких пленок. В процессе роста, а также при термических, механических, радиационных и других воздействиях в пленках развиваются сильные напряжения, обусловленные различием характеристик пленки и подложки (коэффициентов термического расширения, постоянных решетки), фазовыми превращениями, химическими реакциями, абсорбцией влаги и т.д. Среди многообразия различных механизмов релаксации внутренних напряжений особое место занимает упругое гофрирование тонких пленок, сопровождающееся когерентной деформацией подложки. По своей природе процесс формирования складок (wrinkling) подобен классическому случаю эй- леровской упругой неустойчивости стержня, находящегося под воздействием продольных сжимающих сил [1]. Однако в тонкопленочной системе подложка не только обеспечивает сжимающие напряжения, но и накладывает значительные ограничения на изгибную деформацию пленки.

В природе явление гофрирования многослойных систем имеет общий характер, и его масштаб варьируется в пределах от 10⁴ до 10^-9 м. Гофрирование можно наблюдать на примере образования гор при движении тектонических плит, где в роли подложки выступает мантия Земли, в роли пленки - земная кора. Подобные складки возникают на поверхности кожуры фруктов при их высыхании, а также на кончиках пальцев, когда человек длительное время находится в воде. В последнем случае подложкой является дерма, а пленкой - эпидермис. Наконец, в микро- и наноэлектронике широко используется эффект гофрирования полимерных многослойных структур при различных физико-механических воздействиях.

Аналогичные процессы потери устойчивости происходят в биологических мембранах, которые по своей природе являются жидкими кристаллами; их поведение во многом напоминает поведение сильнонеравновесных неорганических пленок. Изменение химического состояния биологической мембраны под действием физических факторов и экзогенных химических соединений приводит к ее искривлению вследствие стремления отдельных слоев мембраны сжаться или расшириться по сравнению с первоначальным равновесным состоянием. Последнее обусловливает нарушение процессов самоорганизации обмена веществ в клетке: поступление питательных веществ внутрь клетки и выведение продуктов их распада (метаболизма) наружу, диффузия газов (О₂, СО₂) и т.п.

Традиционно гофрирование считалось нежелательным процессом, так как приводит к ухудшению рабочих характеристик тонкопленочных систем в микроэлектронике, разрушению термических барьерных покрытий и др. В настоящее время актуальность исследования данного явления существенно возросла, вследствие широкого использования процессов гофрирования в тонкопленочной метрологии, при изготовлении гибких экранов и микросхем, элементов солнечных батарей, в производстве микроэлектромеханических систем, в биологии и медицине. Междисциплинарный подход к изучению поведения твердых кристаллов и жидкокристаллических биологических объектов при различных внешних воздействиях, предложенный в данной работе, позволяет более глубоко понять общий характер закономерностей деформации и разрушения, которые использует природа независимо от того, идет ли речь о живой клетке, сложных клеточных системах или металлоконструкциях.

Цель работы - выявление общих закономерностей деформации и разрушения неорганических пленок и органических тонкопленочных мембран под действием сжимающих напряжений.

Для достижения данной цели в работе были поставлены следующие задачи:

1. Изучить закономерности гофрирования тонких металлических пленок на подложках Si с промежуточным вязкоупругим полимерным подслоем при термическом воздействии.

2. Исследовать механизмы формирования складчатых структур на поверхности алюминиевых сплавов АМГ2 и 1570 в процессе воздушно-термического оксидирования.

3. Исследовать изменение морфологии поверхности и структуры эритроци- тарных мембран под действием сжимающих напряжений, вызванных гормонами стресса.

4. Изучить закономерности разрушения эритроцитарных мембран под воздействием гормонов стресса, нанопорошков, солей тяжелых и щелочных металлов.

Новизна работы. В работе впервые:

4. 1. Продемонстрирована определяющая роль периодического распределения нормальных напряжений, развивающихся в тонкой металлической пленке и на границе раздела пленка-подслой, в стадийном характере ее гофрирования в процессе термического отжига.

   2. Исследован характер зарождения и эволюции гофра, возникающего на поверхности алюминиевых сплавов АМГ2 и 1570 в зависимости от температуры и длительности оксидирования, а также напряженно-деформированного состояния образца. Показано, что релаксация сжимающих напряжений в растущей оксидной пленке происходит путем развития двух конкурирующих процессов: гофрирования оксидной пленки и искривления поверхности алюминиевой подложки вследствие роста зерен.

   3. Установлено, что рост поверхностных зерен в алюминиевой подложке и формирование канавок термического травления по их границам в процессе термического оксидирования вызывают как растрескивание оксидной пленки, так и перераспределение легирующих элементов в поверхностном слое образцов.

   4. Показано, что потеря устойчивости эритроцитарных мембран при воздействии на них кортизола и адреналина обусловливает их периодическое гофрирование.

   5. Исследованы закономерности разрушения биологической мембраны под действием нанопорошков B₄C, Al₂O₃, ZrO₂, SiO₂ и солей тяжелых и щелочных металлов. Выявлена роль локальной кривизны складок в растрескивании мембраны в процессе внешних воздействий.

   Научная и практическая значимость.

   4. 5. 1. Установленные в работе закономерности гофрирования металлических и оксидных пленок при термическом воздействии позволяют определять компоненты тензора напряжений, действующих в системе пленка-подложка, и могут быть использованы при создании микроэлектромеханических систем (МЭМС).

         2. Выявленная общность механизмов потери устойчивости тонких неорганических пленок и биологических мембран в полях внешних воздействий позволяет объяснить механизм негативного влияния гормонов стресса, нанопорош- ков, солей тяжелых и щелочных металлов на устойчивость эритроцитарных мембран.

         На защиту выносятся следующие положения:

         4. 5. 2. 1. Стадийный характер гофрирования металлических пленок (Al и Cu) на подложке Si c полимерным подслоем (полистирол и полиимид) в процессе термического отжига контролируется величиной и знаком нормальных напряжений, действующих как в плоскости пленки, так и на волнистой границе раздела металлическая пленка-полимерный подслой.

                  2. В процессе воздушно-термического оксидирования алюминиевых сплавов АМГ2 и 1570 происходит потеря устойчивости оксидных пленок, приводящая к их периодическому гофрированию. С повышением температуры оксидирования скорость образования складок возрастает вследствие увеличения податливости алюминиевой подложки и интенсивности ее окисления.

                  3. Разрушение оксидных пленок при оксидировании алюминиевых сплавов, находящихся в состоянии поставки, происходит путем распространения трещин нормального отрыва, которые зарождаются в переходной зоне между вершиной поверхностного зерна и канавкой термического травления. В случае повторного нагрева оксидированных образцов разрушение оксидной пленки обусловлено развитием трещин нормального отрыва в вершинах поверхностных зерен.

                  4. Гофрирование органических тонкопленочных мембран при взаимодействии с гормонами стресса подобно упругой деформации тонких неорганических пленок на вязкоупругом подслое под действием сжимающих напряжений. Потеря сплошности эритроцитарных мембран под действием гормонов стресса связана с формированием зон локальной кривизны в вершинах складчатого рельефа.

                  Достоверность научных положений, результатов и выводов подтверждается хорошим совпадением экспериментальных данных, полученных различными современными методами исследования, систематическим характером проведения исследований и обработки результатов, а также согласием полученных результатов с данными других авторов.

                  Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: Международных конференциях «Пленки и покрытия» (Санкт-Петербург, 2009, 2011), Всероссийских конференциях молодых ученых «Физика и химия высокоэнергетических систем» (г. Томск, 2009, 2010), Международных конференциях по физической мезоме- ханике, компьютерному конструированию и разработке новых материалов (г. Томск, 2009, 2011), Международных научно-практических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии» (г. Томск, 2009, 2010), Международной конференции «Методы аэрофизических исследований» (г. Новосибирск, 2010), Международных конференциях «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов» (Москва, 2009, 2011), Всероссийской конференции по наноматериалам «НАНО 2011» (Москва, 2011), Всероссийской научно-практической конференции «Фундаментальные аспекты компенсаторно-приспособительных процессов» (г. Новосибирск, 2011), IV Всероссийской конференции «Фундаментальные основы МЭМС- и нанотехнологий» (г. Новосибирск, 2012), 19 European conference on fracture «Fracture mechanics for durability, reliability and safety» (Kazan, 2012).

                  Публикации. По результатам диссертации опубликовано 3 статьи в рецензируемых журналах и изданиях, определенных ВАК, и 25 докладов в сборниках трудов конференций.

                  Структура работы. Текст диссертации состоит из введения, пяти разделов, заключения и списка литературы. Работа изложена на 183 листах, включая 74 рисунка, 3 таблицы и библиографический список из 184 наименований.

                  Похожие диссертации на Общие закономерности деформации и разрушения тонких неорганических пленок и биологических мембран

                  Закономерности деформации, разрушения и люминесценции ионных кристаллов, подвергнутых -облучениюНовиков, Геннадий Викторович

                  

                  Закономерности и механизмы пластической деформации и разрушения на мезомасштабном уровне при знакопеременном изгибе поликристаллического алюминия Ангелова Галина Владимировна

                  Закономерности и механизмы пластической деформации и разрушения монокристаллов высокомарганцевых аустенитных сталей с высокой концентрацией углеродаАстафурова, Елена Геннадьевна

                  

                  Закономерности упругопластического течения и разрушения в зонах локализованной деформации, инициированных концентраторами напряженийДеревягина, Людмила Сергеевна

                  

                  Взаимосвязь неустойчивости и неоднородности пластической деформации : Закономерности и особенности прерывистой текучести на примере Al-Mg сплавовКриштал Михаил Михайлович

                  Закономерности пластической деформации ГПУ-сплавов циркония на различных структурно-масштабных уровняхПолетика, Тамара Михайловна

                  

                  Закономерности локализации деформации на параболической стадии пластического течения в ГПУ-сплавах цирконияКолосов Сергей Васильевич

                  Закономерности пластической деформации на мезо- и макромасштабных уровнях поверхностных слоев технического титана ВТ1-0 в различном структурном состоянииКазаченок Марина Сергеевна

                  

                  Выявление закономерностей неустойчивой пластической деформации и кристаллизации методами анализа кинетических временных рядов Власов Александр Алексеевич

                  

                  Закономерности и механизмы деформации и переориентации кристалла при больших пластических деформациях аустенитной сталиШевченко Наталья Валерьевна