Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор контактных методов измерения упругих свойств 11
1.1. История теоретических представлений и экспериментальных данных о модуле упругости 11
1.2. Теории контактной механики 16
1.2.1. Модель Герца 16
1.2.2. Модель Sneddon 18
1.2.3. Модель Bradley 19
1.2.4. Модель Derjaguin-Muller-Toporov (DMT) 20
1.2.5. Модель Johnson-Kendall-Robetrs (JKR) 21
1.2.6. Другие модели 22
1.3. Контактные методы измерения упругих свойств материалов 23
1.3.1. Наноиндентироеание 23
1.3.2. Методы АСМ 28
1.3.3. Потенциальные источники ошибок контактных методов 44
1.3.4. Выводы 46
2. Описание ссм «наноскан» 48
2.1. Отличительные особенности и основные функциональные возможности ссм «наноскан» 48
2.2. Режимы измерений, реализуемые «наноскан» 48
2.2.1. Измерение топографии 49
2.2.2. Измерение карт механических свойств 51
2.2.3. Измерение твердости 54
2.3. Конструкция измерительной системы «наноскан» 55
3. Программное обеспечение ссм «наноскан» 60
3.1. Язык Управления RLB 60
3.2. Редактор управляющих файлов 63
3.3. Программа управления ссм «наноскан» 64
3.4. Программа для управления сканированием 67
3.5. Программа для обработки результатов 67
4. Теоретическое обоснование метода 72
4.1. Описание модели 72
4.2. Измеряемая величина 76
4.3. Расчет 77
4.4. Ограничения модели 87
4.5. Доказательства применимости модели 88
5. Метод измерения модуля упругости с помощью кривых нагружения 91
5.1. Алгоритм измерения кривых нагружения 91
5.2. Проведение измерений 91
5.3. Анализ результатов 98
5.3.1. Общий вид кривых нагружения 98
5.3.2. Вычисление параметров кривой 99
5.3.3. Вычисление модуля упругости 101
6. Экспериментальная проверка теоретического обоснования метода 103
6.1. Описание образцов 103
6.2. Проведение эксперимента 107
6.2.1. Условия проведения эксперимента 107
6.2.2, Процесс эксперимента 107
6.3. Результат эксперимента 108
6.4. Обсуждение результатов 113
Применение метода 115
Новые сверхтвердые материалы 115
Тонкие пленки 117
Заключение 120
Литература 122
- Теории контактной механики
- Измерение карт механических свойств
- Общий вид кривых нагружения
- Условия проведения эксперимента
Введение к работе
Развитие науки и технологий во второй половине 20-го века привело к возникновению новой обширной области знаний, именуемой «нанотехнология». Исследования в этой области относятся к объектам, имеющим характерный размер порядка 100 нм и менее. К нанотехнологии относятся такие области исследований, как наноматериалы (ультрадисперсные материалы), тонкие пленки и защитные покрытия, наномеханика, наноэлектроника. Общей для всех этих областей задачей является создание средств и методов наблюдения, измерения, контроля и модификации структур и объектов, недоступных для стандартных средств визуализации и измерения физических свойств.
В 1982 году было положено начало развитию нового направления в аналитическом приборостроении: Сканирующей Силовой Микроскопии. Сканирующие силовые микроскопы (ССМ) позволили проникнуть в наномир с помощью механического зонда и получать уникальную информацию о свойствах объектов со сверхвысоким пространственным разрешением. На начальном этапе развития этой техники силовые микроскопы использовались для исследования в основном рельефа поверхности, вплоть до атомарной структуры. Сегодня сканирующие силовые микроскопы широко применяются не только для исследования рельефа поверхности материалов, но и для измерения их механических свойств, прежде всего, модуля упругости.
Актуальность темы:
Главной тенденцией развития микроэлектроники на протяжении нескольких последних десятилетий является уменьшение размеров приборных структур. В современных интегральных микросхемах они составляют порядка единиц микрометров и менее. Однако, классическая электроника, основанная на применении стандартных полупроводниковых материалов, достигла своего технологического предела по уменьшению размеров отдельных элементов. Дальнейшее развитие электронной техники сегодня в значительной степени определяется достижениями технологии получения новых полупроводниковых материалов.
Перспективными для будущей электроники являются такие материалы как, например, алмаз, карбид кремния или нитрид бора. Как правило, такие материалы являются высокотемпературными полупроводниками. Использование полупроводниковых монокристаллов алмаза имеет существенные преимущества, которые определяются такими его уникальными свойствами, как широкая запрещенная зона, высокая теплопроводность, исключительная стойкость к агрессивным средам и радиации, а также высокие модули упругости. Например, алмаз типа lib (допированный бором) сохраняет полупроводниковые свойства при температурах до 550 °С.
Кроме того, для развития нового этапа миниатюризации полупроводниковой техники актуальным является создание гетероструктур с участием алмаза и других широкозонных полупроводников, таких как нитриды галлия, индия, алюминия и бора. Исключительные свойства алмаза дают физическую основу для создания с его участием структур с весьма резкими в наномасштабе гетеропереходами, что позволит значительно повысить рабочие характеристики и надежность электронных приборов, а также уменьшить их размеры.
Все перечисленные кристаллы отличаются высокими значениями показателей механических свойств и относятся к классу высокомодульных материалов. Кроме того, большинство современных полупроводников имеют «нулевую» пластичность при комнатной температуре. Поэтому модуль Юнга является важной характеристикой для подобных материалов. Зная его абсолютное значение и карту распределения по поверхности, можно судить о механической структуре, составе и качестве материала. В настоящее время наиболее перспективным направлением научно-технического прогресса является применение наноматериалов и нанотехно-логий. Внедрение нанотехнологий в современной электронике требует измерения механических свойств применяемых материалов на субмикронном и нанометровом масштабах. Однако, решение этой задачи, как правило, сопровождается значительными сложностями.
Единственным методом исследования механических свойств, применимым на нанометровых масштабах, сегодня является контактный метод. В его основе лежит контроль взаимодействия острой иглы (индентора) с поверхностью материала. К контактным методам относятся: метод наноинден-тирования и методы сканирующей силовой микроскопии (ССМ).
Существующие методы индентирования имеют низкое для нанообъек-тов пространственное разрешение (несколько микрометров) и являются разрушающими, поскольку определение механических свойств в рамках этих методов связано с внедрением индентора в материал на глубину от нескольких десятков до нескольких сотен нанометров. Это делает их неприменимым для исследования многих объектов, в частности тонких пленок.
Разработанные на сегодняшний день конструкции и методы ССМ позволяют осуществлять измерение модуля Юнга (Г) для весьма ограниченного круга материалов в узком диапазоне абсолютных значений. Для объектов, которые имеют высокие показатели упругих свойств, в т.ч. модуля Юнга, измерение этой величины с помощью имеющихся приборов невозможно. Это связано как с конструктивными особенностями стандартных зондов, так и с относительной мягкостью материалов наконечников.
Таким образом, возможности существующих средств и методик, основанных на механическом контакте, не удовлетворяют современным потребностям исследователей и технологов. В частности, это относится к исследованию упругих свойств сверхтвердых материалов, тонких пленок и покрытий, в т.ч. высокотемпературных полупроводниковых материалов.
Теории контактной механики
В большинстве случаев, модели контактной механики, используемые для описания взаимодействия иглы с поверхностью образца, рассматривают только осесимметричные взаимодействия. При этом предполагается, что контакт осуществляется по нормали к поверхности, латеральные составляющие при этом не учитываются. В некоторых работах рассматриваются системы, в которых действуют поперечные силы, а также вязкопластичные взаимодействия и контакты с учетом пластической деформации [5]. Однако, как правило, при вычислении упругих свойств, контакт двух тел считается упругим. Модель Герца для контакта двух тел является наиболее распространенной при описании экспериментов с АСМ. Далеко не последнюю роль в этой популярности играет ее простота. Однако многие эксперименты не удовле творяют всем условиям, принятым в рамках данной теории, что ведет к ошибочной трактовке результатов [5]. Теория Герца появилась в 1882 году [6]. В рамках данной теории рассматривается контакт двух сферических тел с радиусами Rf и R2. Предполагается, что контакт происходит без трения, а сферы являются гладкими и абсолютно упругими. Теория Герца не учитывает действия поверхностных сил и сил адгезии. Если два сферических тела сжимаются с силой F, то выражения для радиуса области контакта, а, и деформации, S, имеют следующий вид [7]:
Здесь Е — это приведенный модуль Юнга, определяемый соотношени ем: (2) Где Ей Ег - модули Юнга, V/, v2 - коэффициенты Пуассона материалов контактирующих тел. В предельном случае, когда радиус одной из сфер, например, R2, стремится к бесконечности, соотношения для упругой сферической иглы, вдавливаемой в упругую гладкую поверхность, имеют следующий вид: Использование модели Герца для описания взаимодействия иглы и образца обоснованно, когда радиус площади контакта а (и, соответственно, деформация S) существенно меньше радиуса иглы (то есть a/R«l), а также в том случае, когда поверхностные силы пренебрежимо малы по сравнению с суммарными силами взаимодействия. Для многих экспериментов с использованием АСМ условие малости площади контакта (a/R«l) не выполняется. Это происходит, например, в случае использования очень острых игл или мягких материалов. Использование модели Герца для таких случаев может привести к противоречащему законам физики соотношению a/R 1 [8]. Модель Sneddon [9] не имеет такого ограничения. На Рис. 5 приведена зависимость рассчитанного значения радиуса области контакта а от радиуса закругления иглы R для случая, когда абсолютно твердая игла вдавливается в упругую поверхность. С геометрической точки зрения, радиус области контакта не может быть больше радиуса иглы. Модель Sneddon находится в согласии с этим условием, так как указанная зависимость асимптотически стремится к прямой а=Л. Кроме того, для сильно деформированных поверхностей нормальная деформация образца, рассчитанная в соответствии с моделью Sneddon, больше, чем при вычислении по формулам Герца. Это обстоятельство также необходимо учитывать при описании контакта в АСМ измерениях упругих свойств материалов. В рамках модели Sneddon [9] сила F и деформация образца 8 определяются следующими соотношениями, которые могут быть решены численными методами:
В анализе Bradley [10] рассматриваются две твердых сферы, взаимодействие которых описывается с помощью потенциала Леннарда-Джонса, учитывающего силы межатомного притяжения и отталкивания [11]. Суммарная сила взаимодействия сфер записывается в виде: В модели DMT [12] упругая сфера взаимодействует с гладкой упругой поверхностью в соответствии с теорией Герца, но, в дополнение к внешней силе F учитываются также силы адгезии, действующие между двумя телами за пределами области контакта. Действие этих сил само по себе соответствует некоторой конечной области контакта. При приложении внешней нагрузки площадь контакта увеличивается. Если приложена отрицательная нагрузка (разделяющая взаимодействующие тела), область контакта уменьшается, пока не станет равной нулю. В этой точке сила отрыва (puU-off force) достигает своего максимального значения. В рамках модели DMT сила адгезии определяется как: Здесь R и определяются аналогично модели Bradley (см. п. 1.2.3.). Соотношения между радиусом области контакта Й, радиусом области контакта при нулевой нагрузке ао, и деформацией 5 определяются следующими уравнениями: Модель DMT используется для описания жестких контактов с малыми значениями сил адгезии и небольшими радиусами закругления иглы. Модель JKR [ІЗ] пренебрегает силами дальнего взаимодействия, действующими за пределами области контакта, и рассматривает только силы ближнего действия внутри области контакта. В рамках данной модели сила адгезии определяется соотношением: Где W - работа сил нЛ- приведенный радиус определяются аналогично модели Bradley. Связь между радиусом области контакта д, радиусом области контакта при нулевой нагрузке ао, И деформацией 5 определяются следующими соотношениями: Теория JKR применима для контактов, характеризующихся относительно низкой жесткостью, большими значениями сил адгезии и большими радиусами закругления иглы. В применении модели JKR имеется одна сложность. Она заключается в том, что эта модель допускает существование бесконечного напряжения на краю области контакта. Такая противоречащая законам физики ситуация возникает потому, что теория JKR рассматривает только силы, действующие внутри области контакта и явным образом предполагает, что силы притяжения действуют на бесконечно малых расстояниях. Описанное противоречие
Измерение карт механических свойств
Измерение карт механических свойств поверхностей осуществляется путем построчного сканирования участка поверхности с обратной связью по одному из параметров и записью другого параметра. Рис. 20 иллюстрирует сканирование с обратной связью по А и записью сигнала F, Локальная упругость области взаимодействия острия с поверхностью в точке А %л больше величины ,в в точке В, следовательно, величина сигнала сдвига частоты F в точке A FA меньше величины FR в точке В. Рис. 21 иллюстрирует сканирование с обратной связью по F и записью сигнала А. Локальная вязкость области взаимодействия острия с поверхностью в точке А г]А меньше величины г}В в точке В, следовательно, величина сигнала амплитуды А в точке А АА меньше величины Ав в точке В. Описанные выше случаи измерения карт механических свойств применяются для оценки расположения вязкого материала (например загрязнения) на упругой поверхности. Описанный далее вариант измерения карт механических свойств служит для исследования структуры поверхности с меняющимися от точки к точке механическими свойствами (модулем упругости и вязкости). Рис. 22 иллюстрирует сканирование с обратной связью по А и записью сигнала F. При этом установленное значение опорного значения обратной связи Aref достаточно для проникновения острия сквозь вязкий слой до контакта с упругой поверхностью. Локальная упругость области взаимодействия острия с поверхностью в точке A t,A меньше величины %в и & в точках В и С, следовательно величина сигнала сдвига частоты F в точках В и С (FB и Fc) больше величины FA в точке А. На Рис. 23 представлены изображения поверхности образца, средний размер зерна которого составляет доли микрометра. Поверхность образца травлению не подвергалась. Заметим, что рельеф поверхности (Рис. 23,а) не дает достаточной информации о размерах и расположении зерен. В то же время карта упругого модуля (Рис. 23,6) позволяет однозначно определить их границы и размер. Гистограмма «высот», построенная по карте упругого модуля, дает информацию о количественном распределении составляющих.
Измерение твердости. Благодаря высокой изгибной жесткости консоли зонда и применению игл из твердых материалов «НаноСкан» позволяет проводить индентирование и царапание поверхности [77]. Индентирование проводится путем нагружения иглы в определенной точке поверхности (Рис. 24). Царапание осуществляется путем нагружения, аналогично индентированию, и последующего горизонтального перемещения индентора под нагрузкой. Размер отпечатка или царапины определяется путем сканирования рельефа до и после индентирования. Измерительная система «НаноСкан» включает в себя следующие компоненты: управляющий компьютер, управляющая электроника, имеритель-ная головка. Управляющий компьютер - это PC-совместимый компьютер с операционной системой Windows 98/МЕ, выполняющий функции управления режимами работы прибора и обработки результатов измерений. В качестве управляющего компьютера может выступать обычный настольный компьютер или портативный переносной компьютер (notebook). Управляющая электроника распределена между системным блоком управляющего компьютера и измерительной головкой и состоит из следующих элементов: ? плата управления прибором, вставляемая в PCMCIA-разъем переносного компьютера или в PCI-разъем материнской платы настольного компьютера через соответствующий переходник; ? плата управления видеокамерой, вставляемая в PCI-разъем материнской платы управляющего компьютера; выносная часть, находящаяся в измерительной головке; Соединение плат, находящихся в управляющем компьютере и измерительной головки осуществляется с помощью кабеля. Измерительная головка имеет цилиндрическую форму и состоит из поддона, крышки и виброизолированной платформы. Схематичное изображение измерительной головки ССМ «НаноСкан» с открытой крышкой представлено на Рис. 26.
В поддоне находится выносная часть управляющей электроники. На виброизолированной платформе расположены система позиционирования (пьезопривод), состоящая из XY и Z - сканеров, система визуализации образца (видеокамера) и зонд, закрытые кожухом. -- Поддон Образец помещается внутрь головки непосредственно на опоры XY-сканера или (если не позволяют размеры) в специальный держатель. При этом зонд подводится к исследуемой поверхности снизу. Крышка служит для защиты образца, зонда и систем позиционирования и визуализации от механических, температурных, акустических и др. внешних воздействий. Назначение и характеристики устройств измерительной головки Виброизоляция. Измерительная головка обеспечена двухступенчатой системой подавления сейсмических помех. Коэффициент подавления про мышленных вибрационных шумов 10" , что позволяет прибору работать в обычных лабораторных условиях без применения дополнительных мер виброзащиты. Система позиционирования представляет собой пьезопривод и состоит из XY-сканера и Z-сканера. XY-сканер обеспечивает горизонтальное перемещение исследуемого объекта. Z-сканер выполняет функцию вертикального перемещения зонда. Пьезопривод может функционировать в двух режимах: пошаговый движитель и микропозиционер. В режиме пошагового движителя XY-сканер позволяет позиционировать объект исследования относительно зонда и при необходимости получать топологически связанные изображения протяженных объектов. В этом режиме XY-сканер имеет следующие характеристики: 1. расстояние перемещения исследуемого объекта до 2 см; 2. величина одного шага от 10 мкм до 0.1 мкм (устанавливается пользователем); Z-сканер в режиме пошагового движителя производит быстрый подвод и отвод зонда при смене исследуемого объекта на расстояние 10 мм. Режим микропозиционера (сканирования) применяется в процессе сканирования образца. В этом режиме XY-сканер имеет следующие характеристики: 1, максимальное окно сканирования 15x15 мкм; 2. шаг до 1 нм; Отслеживание высоты рельефа в Z - направлении в режиме сканирования осуществляется консолью зонда. Окно сканирования - до 5 мкм, шаг - до 0.1 нм. Конструкция зонда позволяет развивать усилие свыше Юг при ин-дентировании поверхности. Система визуализации образца позволяет визуально контролировать относительное расположение зонда и исследуемого объекта. Состоит из ми
Общий вид кривых нагружения
Измерение карт механических свойств поверхностей осуществляется путем построчного сканирования участка поверхности с обратной связью по одному из параметров и записью другого параметра. Рис. 20 иллюстрирует сканирование с обратной связью по А и записью сигнала F, Локальная упругость области взаимодействия острия с поверхностью в точке А %л больше величины ,в в точке В, следовательно, величина сигнала сдвига частоты F в точке A FA меньше величины FR в точке В. Рис. 21 иллюстрирует сканирование с обратной связью по F и записью сигнала А. Локальная вязкость области взаимодействия острия с поверхностью в точке А г]А меньше величины г}В в точке В, следовательно, величина сигнала амплитуды А в точке А АА меньше величины Ав в точке В. Описанные выше случаи измерения карт механических свойств применяются для оценки расположения вязкого материала (например загрязнения) на упругой поверхности. Описанный далее вариант измерения карт механических свойств служит для исследования структуры поверхности с меняющимися от точки к точке механическими свойствами (модулем упругости и вязкости). Рис. 22 иллюстрирует сканирование с обратной связью по А и записью сигнала F. При этом установленное значение опорного значения обратной связи Aref достаточно для проникновения острия сквозь вязкий слой до контакта с упругой поверхностью. Локальная упругость области взаимодействия острия с поверхностью в точке A t,A меньше величины %в и & в точках В и С, следовательно величина сигнала сдвига частоты F в точках В и С (FB и Fc) больше величины FA в точке А. На Рис. 23 представлены изображения поверхности образца, средний размер зерна которого составляет доли микрометра. Поверхность образца травлению не подвергалась. Заметим, что рельеф поверхности (Рис. 23,а) не дает достаточной информации о размерах и расположении зерен. В то же время карта упругого модуля (Рис. 23,6) позволяет однозначно определить их границы и размер. Гистограмма «высот», построенная по карте упругого модуля, дает информацию о количественном распределении составляющих. Измерение твердости. Благодаря высокой изгибной жесткости консоли зонда и применению игл из твердых материалов «НаноСкан» позволяет проводить индентирование и царапание поверхности [77]. Индентирование проводится путем нагружения иглы в определенной точке поверхности (Рис. 24). Царапание осуществляется путем нагружения, аналогично индентированию, и последующего горизонтального перемещения индентора под нагрузкой. Размер отпечатка или царапины определяется путем сканирования рельефа до и после индентирования. Измерительная система «НаноСкан» включает в себя следующие компоненты: управляющий компьютер, управляющая электроника, имеритель-ная головка. Управляющий компьютер - это PC-совместимый компьютер с операционной системой Windows 98/МЕ, выполняющий функции управления режимами работы прибора и обработки результатов измерений. В качестве управляющего компьютера может выступать обычный настольный компьютер или портативный переносной компьютер (notebook).
Управляющая электроника распределена между системным блоком управляющего компьютера и измерительной головкой и состоит из следующих элементов: плата управления прибором, вставляемая в PCMCIA-разъем переносного компьютера или в PCI-разъем материнской платы настольного компьютера через соответствующий переходник; плата управления видеокамерой, вставляемая в PCI-разъем материнской платы управляющего компьютера; выносная часть, находящаяся в измерительной головке; Соединение плат, находящихся в управляющем компьютере и измерительной головки осуществляется с помощью кабеля. Измерительная головка имеет цилиндрическую форму и состоит из поддона, крышки и виброизолированной платформы. Схематичное изображение измерительной головки ССМ «НаноСкан» с открытой крышкой представлено на Рис. 26. В поддоне находится выносная часть управляющей электроники. На виброизолированной платформе расположены система позиционирования (пьезопривод), состоящая из XY и Z - сканеров, система визуализации образца (видеокамера) и зонд, закрытые кожухом. -- Поддон Образец помещается внутрь головки непосредственно на опоры XY-сканера или (если не позволяют размеры) в специальный держатель. При этом зонд подводится к исследуемой поверхности снизу. Крышка служит для защиты образца, зонда и систем позиционирования и визуализации от механических, температурных, акустических и др. внешних воздействий. Назначение и характеристики устройств измерительной головки Виброизоляция. Измерительная головка обеспечена двухступенчатой системой подавления сейсмических помех. Коэффициент подавления про мышленных вибрационных шумов 10" , что позволяет прибору работать в обычных лабораторных условиях без применения дополнительных мер виброзащиты. Система позиционирования представляет собой пьезопривод и состоит из XY-сканера и Z-сканера. XY-сканер обеспечивает горизонтальное перемещение исследуемого объекта. Z-сканер выполняет функцию вертикального перемещения зонда.
Пьезопривод может функционировать в двух режимах: пошаговый движитель и микропозиционер. В режиме пошагового движителя XY-сканер позволяет позиционировать объект исследования относительно зонда и при необходимости получать топологически связанные изображения протяженных объектов. В этом режиме XY-сканер имеет следующие характеристики: 1. расстояние перемещения исследуемого объекта до 2 см; 2. величина одного шага от 10 мкм до 0.1 мкм (устанавливается пользователем); Z-сканер в режиме пошагового движителя производит быстрый подвод и отвод зонда при смене исследуемого объекта на расстояние 10 мм. Режим микропозиционера (сканирования) применяется в процессе сканирования образца. В этом режиме XY-сканер имеет следующие характеристики: 1, максимальное окно сканирования 15x15 мкм; 2. шаг до 1 нм; Отслеживание высоты рельефа в Z - направлении в режиме сканирования осуществляется консолью зонда. Окно сканирования - до 5 мкм, шаг - до 0.1 нм. Конструкция зонда позволяет развивать усилие свыше Юг при ин-дентировании поверхности. Система визуализации образца позволяет визуально контролировать относительное расположение зонда и исследуемого объекта. Состоит из ми
Условия проведения эксперимента
Приведенная зависимость была аппроксимирована степенной функцией вида (52) путем перебора значений R в диапазоне от 20 до 300 нм. Наилучшее соответствие экспериментальному набору точек (минимальное среднеквадратичное отклонение) было найдено при Л=115 нм (пунктирная линия на Рис. 47). Затем с помощью выражений (53) и (54) на стр. 87 значения модуля упругости были вычислены для всех модельных образцов. Результаты расчетов приведены в Таблице 5, колонка 3. Кроме того, Таблица 5 содержит также значения модуля упругости, полученные другими общепринятыми методами: а) Методом наноиндентирования с помощью прибора Nano-Hardness Tester фирмы CSM Instruments (Швейцария) при глубине погружения около 100 нм (колонка 4 и 5); б) Значения, полученные методом акустической микроскопии (колон ка 6); в) Табличные значения из различных источников [96-123] (колонка 7); Из Таблицы 5 и Рис. 48 видно, что результаты измерений разными методами коррелируют между собой и с табличными значениями. Некоторые несоответствия в случае наноиндентирования можно объяснить следующими причинами. При измерениях новым методом с помощью ССМ «НаноСкан» взаимодействие острия иглы с материалом является полностью упругим и осуществляется непосредственно вблизи поверхности, поскольку внедрение иглы в материал составляет порядка единиц нанометров. В методе инденти-рования игла погружается в материал на глубину от нескольких десятков до нескольких сотен нанометров. При этом материал деформируется пластически, а упругие свойства определяются при разгружении. Такое пластическое деформирование может оказывать влияние на механические свойства материала [89-92]. Для различных материалов возможны три ситуации: с глубиной погружения иглы модуль упругости возрастает, убывает или остается неизменным. Именно эти три ситуации и можно наблюдать в приведенных сравнительных экспериментах.
Для образцов 5,6 с увеличением глубины внедрения модуль упругости уменьшается, для образцов 8,9 - увеличивается, для образцов 1-4,7 -остается неизменным. Необходимо отметить, что образец 10 (твердый сплав WC+Co) представляет собой неоднородный материал с включениями карбида вольфрама размером порядка микрометра. При измерении с помощью ССМ «НаноСкан» кривые подвода были получены непосредственно на зернах WC, В то же время, индентор NanoHardness Tester позволяет получить только усредненную характеристику модуля упругости. Это связано с большой глубиной погружения и, соответственно, большой площадью контакта. Этим объясняется сильное расхождение результатов измерений для этого образца. Точность измерения значений модуля упругости определяется разбросом вычисленных значений угла наклона рабочего участка для материала, 112 который, в свою очередь, зависит от повторяемости кривых нагружен ия. Повторяемость измерений тем выше, чем лучше качество подготовки поверхности исследуемого образца. Этим объясняется, например, довольно большая (больше 15%) погрешность значений для образцов 4 и 5. Как правило, погрешность определения модуля упругости предложенным методом не превышает 10% (при значении доверительной вероятности равном 0,95). Таким образом, предложенный метод позволяет проводить корректные измерения модуля упругости высокомодульных материалов в диапазоне абсолютных значений от 100 до 1000 ГПа. 113 С помощью предложенного метода были проведены исследования новых высокомодульных материалов, обладающих полупроводниковыми свойствами. Значения модуля упругости были измерены для боридов осмия, рутения и иридия. На некоторых образцах в процессе эксперимента были обнаружены включения размером порядка нескольких микрометров, модуль упругости которых отличался от модуля окружающего материала (Рис. 49). Значения модуля упругости для исследуемых материалов приведены в Таблице 6.
В колонке 3 содержатся результаты, полученные с помощью ССМ «НаноСкан», в колонке 4 - результаты, полученные акустическим методом. Результаты рентгеноструктурного анализа исследуемых образцов показали следующее: борид иридия содержит несколько фаз (возможно, три и более); борид рутения содержит одну ярко выраженную фазу; борид осмия имеет две фазы; Анализ полученных результатов позволяет сделать следующие выводы: образец борида рутения представляет собой однородный материал, его модуль упругости составляет порядка 400 ГПа. образец борида иридия неоднороден по составу и механическим свойствам, содержит большое количество включений, размер которых не превышает нескольких микрометров. Этим объясняется большой разброс значений модуля упругости, измеренных для этого образца с помощью ССМ «НаноСкан». образец борида осмия имеет две фазы: одну основную и небольшое количество включений другой фазы. Модуль упругости включений существенно превосходит модуль упругости основного материала, однако их малый размер не позволяет измерить их отдельно с помощью акустического метода. Таким образом, результаты, полученные с помощью нового метода, дополненные данными рентгено структурного анализа и результатами акустических измерений, позволили получить более полную информацию о свойствах исследуемых образцов.
