薄膜表面應(yīng)力的產(chǎn)生和應(yīng)用

李建忠， 于 海

（沈陽(yáng)新松機(jī)器人自動(dòng)化股份有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110168）

引言

人們研究表面科學(xué)已經(jīng)有上百年的歷史，學(xué)術(shù)界對(duì)表面應(yīng)力的定義為：由拉伸或者彎曲引起材料表面面積的變化，同時(shí)消耗能量，材料產(chǎn)生此種單位面積變化所消耗的能量稱為表面應(yīng)力。薄膜表面應(yīng)力的產(chǎn)生與表面自由能有一定的區(qū)別和聯(lián)系，本文主要介紹薄膜表面應(yīng)力的產(chǎn)生和應(yīng)用情況。

1 表面應(yīng)力的產(chǎn)生

通過對(duì)表面應(yīng)力研究的不斷深入，發(fā)現(xiàn)由微觀特性推知宏觀性質(zhì)卻面臨著很大的困難，這促使人們不得不同時(shí)沿著宏觀和微觀這兩條路徑來(lái)研究表面的獨(dú)特性質(zhì)。

從宏觀角度看，是由于外加負(fù)載帶來(lái)的表面受力變化。近年來(lái)，應(yīng)力和應(yīng)變對(duì)材料表面性質(zhì)的影響越來(lái)越受到重視，國(guó)內(nèi)對(duì)這方面的研究也是如火如荼的進(jìn)行著，無(wú)論是在理論研究、參數(shù)計(jì)算，還是實(shí)驗(yàn)方面都取得了不菲的成績(jī)。

從微觀角度看，表面應(yīng)力存在的物理原因是原子間長(zhǎng)程的作用和表面幾何結(jié)構(gòu)的變化，不同的表面結(jié)構(gòu)會(huì)形成完全不同的表面應(yīng)力。因此，表面應(yīng)力也可以看作是一層覆蓋在固體表面的一塊已經(jīng)被壓縮或被拉伸的薄膜，能夠施加側(cè)向的力。在固體表面薄膜沉積后薄膜或多或少表現(xiàn)為彎曲現(xiàn)象，這時(shí)表面應(yīng)力表現(xiàn)為拉應(yīng)力或壓應(yīng)力，如圖1所示，可以認(rèn)為鍍膜的應(yīng)力是產(chǎn)生薄膜內(nèi)力矩的力［1］。

圖1 薄膜的拉應(yīng)力和壓應(yīng)力

一般來(lái)說(shuō)，在應(yīng)力大到超過薄膜的彈性極限時(shí)，會(huì)產(chǎn)生脫落或破裂，所以，要盡量控制其大小。從實(shí)際角度考慮，避免外力的影響，表面應(yīng)力主要包括兩部分：

式中：σin是薄膜的本征應(yīng)力，與薄膜的結(jié)構(gòu)和成膜方式有關(guān)，實(shí)際生產(chǎn)中本征應(yīng)力對(duì)應(yīng)力的大小起到較大的作用；σth被稱作熱應(yīng)力，主要是由于薄膜與固體基材的線性膨脹系數(shù)不同而造成的，在薄膜沉積時(shí)伴隨環(huán)境溫度而產(chǎn)生［2］。沉積溫度的變化對(duì)薄膜應(yīng)力的影響如圖2所示。

圖2 本征應(yīng)力和熱應(yīng)力對(duì)表面應(yīng)力的影響

圖2中縱坐標(biāo)σ代表表面應(yīng)力的大小，橫坐標(biāo)T代表薄膜沉積環(huán)境的溫度。從圖2中可以看出，隨著成膜溫度的升高，總會(huì)找到表面應(yīng)力較小的溫度范圍，這說(shuō)明成膜溫度的變化對(duì)薄膜應(yīng)力產(chǎn)生的大小有一定的影響。

同時(shí)，固體表面的應(yīng)力還會(huì)導(dǎo)致固體中的應(yīng)變，這些應(yīng)變一旦達(dá)到可以用于實(shí)驗(yàn)測(cè)量的大小，就可以用來(lái)計(jì)算相應(yīng)的彈性能變化，我們稱為相對(duì)表面應(yīng)力大小，但這只是針對(duì)絕對(duì)表面應(yīng)力的大小，而表面應(yīng)力的測(cè)量就要涉及晶格收縮對(duì)顆粒大小的依賴性。這些晶格可以被看作網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)被填滿時(shí)，表面應(yīng)力表現(xiàn)為最大［3］。

另外，在表面熱力學(xué)中，有一個(gè)概念叫表面自由能。對(duì)于特定的材料，在一定的物理化學(xué)條件下它是一個(gè)常數(shù)，定義為生成單位面積表面所需要的能量，這個(gè)定義原來(lái)被認(rèn)為是相當(dāng)精確的［4］，然而，如果考慮材料的彈性變形（如拉伸或者彎曲過程）問題就變得比較復(fù)雜了，因?yàn)槔旎蛘邚澢矔?huì)引起材料表面面積的變化，同時(shí)也消耗能量，這就與表面應(yīng)力的定義產(chǎn)生了混淆，表面應(yīng)力是否為表面自由能？如果是，它是否與材料變形無(wú)關(guān)？如果不是，那么它和表面自由能之間是否有關(guān)聯(lián)？

對(duì)于此問題，Muller和Saul給出的解答是：表面應(yīng)力不同于表面自由能，雖然兩者的定義相同，都表示材料產(chǎn)生單位表面面積變化所需要的能量，但是，有兩點(diǎn)區(qū)別：首先，發(fā)生這種物理過程的前提不同，前者為等表面原子數(shù)，而后者是等應(yīng)變；其次，前者表現(xiàn)為純變形，后者表現(xiàn)為表面的創(chuàng)造［5］。

既然這樣，可以認(rèn)為表面自由能是用來(lái)衡量將原子移到表面克服的能量差的量，表面原子的潛能高于體原子，原因是表面原子比體原子有較少的鄰居，互相作用力小。所以表面自由能是一個(gè)表示生成單位表面積引起的系統(tǒng)自由能改變量的標(biāo)量。因此，與表面應(yīng)力有一定區(qū)別，同時(shí)，它是伴隨著薄膜表面應(yīng)力的存在而存在的。

2 表面應(yīng)力的應(yīng)用

伴隨著表面應(yīng)力變化的體應(yīng)變顯著地依賴于表面積同體積的比值，如薄膜、碳納米管件等構(gòu)件，電勢(shì)導(dǎo)致的表面應(yīng)力變化遠(yuǎn)大于輸入電能，因而更加適合作為電機(jī)制動(dòng)器。這些基于表面應(yīng)力的制動(dòng)器的優(yōu)點(diǎn)是可以在低工作電壓下有非常高的工作密度。

通過測(cè)量表面應(yīng)力的改變量計(jì)算出薄膜應(yīng)力差時(shí)薄膜在彎曲的應(yīng)力下變形，當(dāng)表面應(yīng)力較小，而薄膜較厚時(shí)，變形后的形狀呈球面；反之就會(huì)分叉，這對(duì)制備薄膜、控制薄膜形狀是非常有用的。

另外，表面應(yīng)力對(duì)于吸附原子有著重要的影響，主要表現(xiàn)在兩方面：首先，吸附原子和基底表面原子的結(jié)合將導(dǎo)致基底表面原子之間化學(xué)鍵的強(qiáng)度減弱和平衡鍵增加，從而導(dǎo)致表面壓應(yīng)力的增加；其次，吸附原子的相互作用也導(dǎo)致表面應(yīng)力的變化，吸引作用導(dǎo)致表面產(chǎn)生拉應(yīng)力，排斥作用導(dǎo)致表面產(chǎn)生壓應(yīng)力。吸附原子和基底表面原子的結(jié)合引起表面應(yīng)力的大小與吸附原子的密度呈線性關(guān)系，而吸附原子的相互作用引起表面應(yīng)力與吸附原子的密度呈非單調(diào)的依賴關(guān)系。基于此特性，我們?cè)阱兡r(shí)，可以通過控制轟擊靶材的原子數(shù)量來(lái)保證薄膜質(zhì)量。

由于表面應(yīng)力的過大，也會(huì)帶來(lái)負(fù)面效應(yīng)，比如在薄膜制備時(shí)，由于薄膜非常薄，所以能夠承受的表面應(yīng)力是極度小的；其實(shí)薄膜的表面應(yīng)力就是對(duì)其拉伸或彎曲時(shí)因改變薄膜表面的面積而產(chǎn)生的能量，而這種能量超過了薄膜能承受的范圍，引起膜層裂開；另外，不易變形的工件上的薄膜不易拉伸彎曲，但不代表沒有，其表面鍍制的是一層很薄的膜層，所能承受的力很小。所以降低薄膜的表面應(yīng)力是防止膜層裂開的一種有效的方法。

3 結(jié)語(yǔ)

從微觀角度對(duì)薄膜表面應(yīng)力的產(chǎn)生原因進(jìn)行了分析，雖然產(chǎn)生的原因比較復(fù)雜，但是利用表面應(yīng)力來(lái)解決實(shí)際問題卻普遍存在，借用實(shí)際效應(yīng)來(lái)開發(fā)出的很多薄膜制備技術(shù)在生活和生產(chǎn)中被廣泛的應(yīng)用。

［1］ 張以忱.真空鍍膜技術(shù)［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2009.

［2］ 戴達(dá)煌，周克崧，袁鎮(zhèn)海.現(xiàn)代材料表面技術(shù)科學(xué)［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2004.

［3］ 閆琨，何陵輝，劉人懷.表面應(yīng)力引起的彈性薄膜形狀分叉［J］.應(yīng)用數(shù)學(xué)和力學(xué)，2003，9（10）：1 012－1 014.

［4］ 程開甲，程漱玉.薄膜內(nèi)應(yīng)力的分析和計(jì)算［J］.自然科學(xué)進(jìn)展，1998（1）：20－22.

［5］ 孫澤輝，吳恒安，王秀喜.吸附誘導(dǎo)表面應(yīng)力的分子運(yùn)動(dòng)學(xué)模型［J］.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)，2007（10）：1 210－1 212.