力-环境耦合下脆性薄膜失效机理研究

In recent years, films play an increasingly important role in high performace and precision electrical devices. Failure challenges place restrictions on performance of the films. The stress - environment(temperature, humidity) coupling effect is the key factor to failure of films, but few researchers focus on it in all over the world,especially for in-situ investigation on micro or nano scale, which is the most important factor to reveal the failure mechanism of films.In this study, the law dependent on the multi-factor coupling and mechanism of the cracking of brittle thin films is researched, with in-situ observation under nanoindentation, atomic force microscope and focus ion beam to achieve the following objectives: 1)Explore the mechanism of activation of water molecules at the crack tip and film/substrate interface at different temperatures; 1).Investigate the influence of stress state(tensile, compression) and level(high, low) on crack nucleation and expasion on surface and interface of brittle film clearly;3).Probe into the low of the stress - environment(multi-factor) coupling promtoing nucleation and crack growth on a brittle ceramic film surface and interface,inclduing the key factors; 4).Explore substrate ruin due to the surface cracks of films in different circumstances; 5).Clarify the law and mechanism of the failure of fargile ceramic films in stress-environment coupling.

近年来高、精、尖电子信息器件及重大仪器装备对薄膜材料的需求与日俱增，进而对其寿命及可靠性提出了更高要求。应力-环境多因素耦合作用是薄膜失效的重要原因，但国内外相关研究还不够深入，尤其是微、纳或原子尺度上的原位观察研究更少，而这恰恰是揭示薄膜材料失效机制的关键。本申请将通过纳米压痕、原子力显微镜和聚焦离子束技术,对多因素耦合下表面和界面断裂失效行为及机理进行微纳尺度下的原位观察研究，拟达到如下目标: 1)弄清不同温度下水分子在裂纹尖端、膜基界面的活化作用；2)弄清内应力、外加载荷状态（拉、压）和水平（高、低）对薄膜裂纹形核、扩展的影响；3)确定应力-环境多因素耦合作用促进脆性薄膜表面和界面裂纹形核、扩展的规律及其关键影响因素； 4)观察不同环境下膜层裂纹对基体造成的损伤；5）清楚阐述应力-环境耦合下脆性薄膜失效的规律和机理。

本项目系统、深入研究了力-环境耦合下脆性薄膜失效的规律和机理。首先，设计出膜-基体系三点弯曲实验装置和实验方法，在同一个试样上同时实现不同应力大小的拉、压应力状态，为研究力-环境耦合下脆性薄膜失效提供高效、快捷的实验手段，并研究了压应力开裂及材料弹性参数对压应力开裂的影响规律和机理，进一步丰富和完善了脆性薄膜开裂的规律和机理，使压应力下薄膜材料开裂引起国内外重视；其次，在国际上首次提出膜致韧性基体的脆性开裂，并给出实验证明和理论推导，给出膜致韧性基体开裂损伤程度的定量计算，将理论研究成功应用于指导工程实践，创造了巨大的经济和社会效益。第三，研究确认膜层中应力梯度的存在，并研究外加应力（应变）条件下应力梯度的原位演化过程，揭示膜-基体系中膜层开裂本质因素演化的清晰图像和数理逻辑，为膜-基体系设计及使役可靠性提供强有力支撑。最后，尝试了表面硬质膜层对钛合金耐磨性及膜层开裂引起的表面损伤对钛合金耐疲劳性能的影响规律研究。在该基金支持下累计发表论文17篇,其中SCI收录15篇，申请专利4项，其中已授权2项。培养博士研究生4名，其中已经毕业1名；硕士研究生5名，其中已经毕业3名，2名继续攻读博士学位。研究成果获“中国腐蚀与防护学会科技进步一等奖（网上公示中）”本项目负责人排名第二。