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薄膜厚度对聚合物支撑金属薄膜失效应变的影响
我们对聚酰亚胺支撑的铜薄膜进行了单轴拉伸测试，该薄膜具有强(111)纤维纹理，厚度从50 nm到1 μm不等。厚度在200nm以下的薄膜仅在几个百分点的伸长处就因晶间断裂而失效。较厚的薄膜通过韧性穿晶断裂和与基体的局部脱粘而破裂。薄膜厚度在500 nm左右时，穿晶断裂的破坏应变最大。通过在沿薄膜/衬底界面的内聚区进行有限元模拟，阐明了穿晶破坏机制。当薄膜厚度从200 nm增加到500 nm时，薄膜屈服应力的减小使得薄膜更难脱离衬底，从而增加了破坏应变。然而，当厚度增加到500nm以上时，(111)织构膜中(100)晶粒的比例增加。在变形时，在(100)晶粒处开始颈缩和脱粘，导致薄膜的破坏应变减小。
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 薄膜厚度对聚合物支撑金属薄膜破坏应变的影响[j] |
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评论
应变cu薄膜的电阻测量
亲爱的>,
谢谢你的论文，里面有很多有用的信息!
几个月前，我开始参与一个项目，致力于研究柔性电子产品的金属薄膜和金属化线的机械和电气性能。这对我来说是一个相当新的话题，所以我试图了解薄cu薄膜的机械和电气特性的基本知识。
我在PET衬底上对200 nm的Cu薄膜进行了一组拉伸测试，随后进行了SEM表征。我们的一些拉伸到30%的样品看起来与您的论文中所示的非常相似(图2c, 200 nm薄膜):穿晶开裂，大量位错滑移痕迹。
但实际上我想问你关于电阻测量的问题，如果你能帮助我提高我对它的理解，我将非常感激。
1.我不明白为什么在拉伸过程中体积恒定的假设被如此广泛地应用，为什么它如此有效。铜的泊松比为0.3-0.33，因此即使在弹性状态下，体积也不是恒定的。
2.根据我们的应力应变曲线，我估计Cu薄膜+衬底双材料的屈服应变在2%左右。扫描电镜图片证实，在2%的应变下，很好地显示了局部颈部的起始。因此，在2%应变后，很难提供电阻变化的理论公式。但是R/R_0=(L/L_0)^2近似仍然很有效!我只是不明白为什么。
3.你认为在拉伸试验中测量电阻的最好方法是什么?我正在考虑将所有4根电线放在手柄下(每边两根)，这样就可以确保接触始终良好，并且感测线之间的距离根据样品的伸长而变化。
如果你能帮助我，我将非常感激!
提前感谢
Oleksandr Glushko
Re:应变cu薄膜的电阻测量
亲爱的Oleksandr,
非常感谢您对我们的工作感兴趣。我试着逐一回答你的问题。
1.在单轴拉伸下，Cu薄膜先是弹性伸长，然后在1%的应变下开始屈服。在弹性状态下，小应变下的体积增量可由ΔV/V=(1-2ν)ΔL/L=(1-2*0.3)*1%=0.4%来估算。在塑性变形过程中，体积守恒被广泛接受，因为这一过程涉及位错机制而不是键长变化。
2.R/R_0=(L/L_0)^2关系是在假设a)无体积和b)单轴拉伸时电阻率无变化的情况下得到的理想的总电阻-伸长关系。在实际测试中，体积守恒只在问题1中讨论;分散的、孤立的颈缩也不会太大地改变薄膜的整体电阻率。只有相互连接的微裂纹才会显著改变整个薄膜的电阻率，此时测量的电阻开始偏离理想关系。我还想指出的是，对于经过良好退火的200nm厚的Cu薄膜，通过10nm厚的Cr胶粘剂层与12.7um厚的Kapton薄膜结合良好，拉伸10%后我几乎找不到任何颈缩，而拉伸15%后却发现了相互连接的微裂纹，在此应变下测量的电阻也开始偏离理想关系。
3.如你所述，我使用了4线电阻测量，以尽量减少引线或接触电阻的影响。如果握把是金属的，确保引线与握把绝缘。
如果您还有问题，请告诉我。
真诚地,
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亲爱的南树，非常感谢!
亲爱的>,
非常感谢!因此，阻力变化与长度变化的初始部分(弹性变形)应该是一条直线。但由于屈服应变通常很小(0.5%-2%)，线性相关性和平方相关性之间的差异可以忽略不计。在下面的图中，星形表示R/R0=(L/L0)^2依赖性，而圆形表示一阶(弹性)体积变化。在塑性变形过程中，假设晶格常数不变，只有位错产生和滑移。我明白了，谢谢!
我已经做了一些电阻测量，看起来与你发表的结果非常相似，见下图。所有曲线均为PET上200nm Cu薄膜的曲线。
关于薄膜的缩颈，在5%的应变下，我们已经观察到我所说的“均匀缩颈”，见下图。我们的薄膜未经退火，具有非常不均匀的晶粒结构。
希望我们的讨论对你们来说至少也有点意思。
谢谢你的帮助!
最好的问候,
Oleksandr
谢谢，Oleksandr
嗨,Oleksandr,
非常感谢你提供的数据。它们是很棒的插图。
关于第一个图，由于金属薄膜的弹性变形不能超过20%，所以我们不需要在这种应变下将圆与恒星进行比较。
对于第二张图，如果你有相应的显微图来显示裂缝实际上是在偏离应变周围开始的，那就太棒了。
我观察到Kapton衬底上未退火的200nm Cu薄膜与图3非常相似。
欢呼,
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铜膜扫描电镜
你好> !
在我之前的文章中所展示的5%应变的例子是一个非常典型的例子。
10%后的表面是这样的:
15%之后，像这样:
顺便说一下，还有一件事我不明白。为什么没人关注应力-应变曲线?是不是太琐碎了?我的意思是，即使衬底的厚度比金属膜的厚度高100倍，将裸衬底与薄膜+衬底进行比较仍然很有趣(至少对我来说)。例如，我可以说薄膜+衬底的屈服强度高于裸衬底。卸载更是不平凡:基材有弹性，薄膜有韧性，基材“想”向后拉伸，薄膜——不。在拉伸试验后，你观察到样品有弯曲吗?
最好的问候!
Re: Cu薄膜SEM
嗨,Oleksandr,
谢谢这些漂亮的sem。裂纹起裂应变在10%左右，与阻力偏差应变吻合较好。这就是我在论文中想要表达的观点。
你提出了关于聚合物支撑金属薄膜的应力-应变和再加载行为的非常好的问题。我们没有把重点放在应力应变上，因为我们主要想解决可拉伸性问题，这与柔性电子产品非常相关。我在论文中提到了不同厚度薄膜的屈服强度薄膜厚度对聚合物支撑金属薄膜破坏应变的影响“但对整体应力-应变行为了解不多。
在卸载过程中，正如你所指出的，基材是弹性和可恢复的，但金属薄膜的伸长是不可逆的。所以我怀疑薄膜在卸载过程中会发生塑性变形。虽然我没有观察到薄膜的任何屈曲分层，但我确实看到了两个裂纹的一半重叠在一起。
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