单晶锗各向异性力学性能实验.PDF

２０１４年 ５月 农 业 机 械 学 报 第 ４５卷 第 ５期 ｄｏｉ：１０．６０４１／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００１２９８．２０１４．０５．０５０ 单晶锗各向异性力学性能实验  杨晓京１　刘艳荣２　杨小江２　方聪聪２ （１．昆明理工大学机电工程学院，昆明 ６５０５００；２．昆明理工大学现代农业工程学院，昆明 ６５０５００） 摘要：通过纳米压痕实验对单晶锗（１００）、（１１０）、（１１１）晶面进行各向异性力学性能的分析研究。根据纳米压痕过 程中获得的载荷 位移曲线并结合 Ｏｌｉｖｅｒ Ｐｈａｒｒ理论对材料的弹性模量和硬度进行考察。实验结果表明：单晶锗 在纳米压痕过程中发生明显的塑性变形，并且（１１０）晶面塑性最好，（１００）晶面其次，（１１１）晶面塑性最差；硬度与 弹性模量变化趋势相一致，在压入深度较小时，材料受表面效应的影响，硬度和弹性模量发生明显波动，而且由于 单晶锗各个晶面上的原子密度以及晶面间距有较大的差异，单晶锗表现出稳定的各向异性，硬度和弹性模量大小 依次为：（１１１）晶面、（１１０）晶 面、（１００）晶 面。随 着 压 入 深 度 增 加，硬 度 和 弹 性 模 量 逐 渐 趋 于 稳 定，大 小 依 次 为： （１１０）晶面、（１００）晶面、（１１１）晶面。 关键词：单晶锗　纳米压痕　晶面　各向异性　硬度　弹性模量 中图分类号：ＴＮ３０４１＋１；Ｏ７３３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１０００１２９８（２０１４）０５０３２２０５ 理尺寸上的限制，需要开发一种新的材料来突破这 　　引言 一限制，锗的优异性使得锗基衬底有可能取代硅而 微 机 电 系 统 （Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌｓｙｓｔｅｍ， 应用于先进纳米电子器件 ［１０－１１］。晶 体 锗 力 学 性 能 ＭＥＭＳ）在汽车、航 空 航 天、通 讯、医 疗、环 境 保 护 等 方面的研究也越来越引起各方面专家的重视。 方面具有越来越广阔的应用前景 ［１］。然而，由于表 晶体由于其内部原子排列具有规律性，因而在 面和尺寸效应的影响，当器件尺度减小到微纳米量 各个不同的方向上，原子排列的疏密程度和排列方 级时，微机电系统中表面力相对体积力增大近千倍， 式都有着显著不同，导致晶体在不同方向的物理化 因而与表面相关的摩擦、磨损、粘性阻力和表面张力 学性质也不同，即在不同的晶体方向，晶体表现出强 等对系统的影响比与体积相关的惯性力和电磁力的 烈的各向异性。因此，不同晶面取向的单晶锗具有 影响更加显著，表面力成为影响系统性能的关键因 各向异性。尤其在力学特性方面的各异性表现更为 素 ［２－３］。由此，在进行微观器件 的结 构设计和力 学 突出，主要体现在弹性模量、硬度等随晶向的变化而 性能分析时，采用传统的力学性能测量方法已不能 变化。因此，有必要应用纳米压痕法对单晶锗各向 满足微纳米技术的要求。 异性力学性能进行研究。 随着材料科学的发展，纳米压痕作为一种有效 １　纳米压痕测试理论 的微尺度材料力