單晶鍺各向異性力學性能實驗

周航

（長春理工大學，吉林長春 130000）

單晶鍺各向異性力學性能實驗

周航

（長春理工大學，吉林長春 130000）

單晶鍺作為一種重要的半導體材料，在我國機電系統發展以及電路系統的優化升級中扮演著關鍵性的角色。為了充分發揮單晶鍺在推動半導體產業發展，滿足社會經濟發展需求方面的作用，需要相關科技工作者對單晶鍺（100）（110）（111）的各向異性力學性能進行全面的試驗探究，對其實用性與加工性進行分析，促進單晶鍺在實踐中的有序使用。基于此，以納米壓痕實驗為主要試驗手段，對單晶鍺（100）（110）（111）在試驗過程中所表現出來的硬度及彈性模量等進行記錄，以期為其力學性在實踐中的應用提供理論參考。

單晶鍺；各向異性；納米壓痕實驗；力學性能

隨著科技的不斷進步，人們對材料的研發與應用能力不斷增強，新的材料不斷涌現，并被應用于實際生產與生活中。鍺作為IV族金屬，呈現出金剛石的結構特性，具有良好的物理與化學性征。單晶鍺作為一種重要的工業原料，憑借著自身的材料優勢，在汽車制造、航天領域、計算機通訊、醫療衛生及生態環境保護等諸多領域發揮著積極作用，與傳統的半導體材料相比，有著更為廣闊的應用前景與發展空間。隨著計算機領域中芯片與晶體管的微型化，傳統意義上的硅基材料越來越難以滿足微型化的發展需求，試驗證明單晶鍺的物理化學性質能夠在很大程度上取代單晶硅的作用，進一步推進晶體管技術的發展，提升摩爾定律的實踐性能［1］。在這一背景下，為了進一步滿足社會經濟發展對于單晶鍺的使用需求，滿足納米電子元器件的開發需求，將單晶硅的材料尺寸控制在納米量級，通過在一量級下的操作，實現各種組件體積的集約化，增強其實用性與使用場景。但是，必須看到單晶鍺在納米量級下，物質表面在摩擦力、外界磨損以自身表面張力的作用下，受到的力遠遠大于其體積受到慣性力與電磁力，這就使得單晶鍺表面力成為影響其實際使用性能與力學性能試驗的核心要素。基于此，在對其進行各向異性力學試驗的過程中，需要將表面力作為考察與研究的重點，探究單晶鍺的面塑性、硬度及彈性模量特征。

1 納米壓痕實驗原理

1.1 單晶鍺各向異性力學試驗的必要性

晶體在原子排列組合方面存在著一定的規律性，并且在不同的方位、不同的表面上，其原子排列的方式及密集程度有著較為明顯的差異，原子排列方面的不同使得晶體在不同的方向上表現出不同的物理性質與化學特征。也就是說，在不同的方向，同一晶體會表現出各向異性。鍺作為一種稀有金屬元素，以金剛石結構存在，雖然與其他晶體在物理化學性質上有著極為明顯的差別，但單晶鍺依舊表現出各向異性。為了對單晶鍺各向異性的具體表現形式預計數據信息有著較為全面的掌控，需要相關科技人員充分利用現有的試驗條件，使用必要的技術手段與試驗方案，對單晶鍺不同表面的面塑性、硬度及彈性模量進行測算，以提升人們對于單晶鍺各向異性的認知程度，進而為其在實踐中的科學高效使用奠定基礎。

1.2 納米壓痕實驗理論

為了保證單晶鍺各向異性力學實驗的科學高效開展，將納米壓痕實驗引入其中，借助于納米壓痕實驗的準確性及可操作性，實現對單晶鍺各向異性中面塑性、硬度及彈性模量力學性質的全面分析，對相關數據信息進行收集與研究。為了實現這一目標，需要相關技術人員立足于納米壓痕實驗開展實際要求，對其測試理論進行必要研究，從而為其在單晶鍺各向異性力學試驗中的有序應用創造必要條件。

納米壓痕實驗一般將金剛石作為壓頭，使其在正向負載的力學作用下，在垂直方向上對所測試的材料施加一定的重力作用，在這一過程中組織專門人員對壓頭壓入過程中，壓痕實驗中加載力與測試材料壓入深度進行準確記錄，并將納米壓痕實驗過程中加載與卸載過程中，探究加載力與壓入深度之間的關系，并以數學模型的形式對其進行表現［2］。根據二者之間的關系，繪制載荷-位移曲線，其中hf表示卸載過程中受測試材料的壓痕深度變化情況，hmax則表示納米壓痕實驗過程中壓痕的最大深度，pmax表示納米壓痕實驗過程中被測試材料所受的最大載荷，S則表示卸載曲線頂部的斜率，代表著納米壓痕實驗體系中的接觸剛度，如圖1所示。

從納米壓痕實驗的測試原理來看，其與傳統壓痕實驗有著較為明顯的差異，在傳統的測量試驗體系下，壓痕測量實驗人員通過幾何尺寸計算力學方式獲取被測試材料的各類數據，納米試驗則以實際測量數據為依據，通過相關數學模型與公式，對壓痕實驗中的接觸面積進行推斷，進而對材料力學性能進行計算［3］。納米壓痕實驗憑借自身的實驗優勢，能夠極大提升實驗結果的準確性，全面反映材料自身的力學性，為其在實踐中的科學高效應用提供了參考。

圖1 載荷-位移曲線

2 單晶鍺各向異性力學性實驗所遵循的原則

2.1 遵循科學性原則

納米壓痕實驗在單晶鍺各向異性力學性實驗工作中應用目標的實現，要充分體現科學性的原則，只有從科學的角度出發，對單晶鍺各向異性力學性實驗中納米壓痕實驗應用的現實意義及技術操作流程，進行細致且全面的考量，才能夠最大限度地使得納米壓痕實驗能夠滿足單晶鍺各向異性力學性實驗相關工作的要求，只有在科學精神、科學手段、科學理念的指導下，才能夠以現有的技術條件為基礎，確保單晶鍺各向異性力學性實驗體系下納米壓痕實驗相關應用工作的科學實現。

2.2 遵循可操作性原則

由于單晶鍺各向異性力學性實驗對于實驗環境要求較為嚴格，為了提升實驗自身的可行性與可操作性，使得納米壓痕試壓能夠滿足單晶鍺各向異性力學性實驗的技術要求，有效應對現階段實驗技術與實驗環境等方面的問題。需要相關技術人員在進行單晶鍺各向異性力學性實驗方案與相關技術的設計規劃的過程中，充分考慮這一情況，采取行之有效的應對措施。在保證單晶鍺各向異性力學性實驗結果準確性的前提下，盡可能增加單晶鍺各向異性力學性實驗應用方案的容錯率，減少外部環境對單晶鍺各向異性力學性實驗中納米壓痕實驗相關技術操作的不利影響。所以，單晶鍺各向異性力學性實驗以及相關技術應用流程必須進行簡化處理，降低操作的難度，提升應用方案的實用性能與環境適應能力，使得在較短時間內進行有效操作，保證單晶鍺各向異性力學性實驗工作的順利開展。

3 單晶鍺各向異性力學性能試驗

單晶鍺各向異性力學試驗作為一個復雜的過程，需要相關實驗人員立足于單晶鍺試驗的實際要求，在科學性與可操作性原則的指導下，將納米壓痕實驗引入到單晶鍺各向異性力學試驗中，將其作為一種重要的試驗手段，推動各向異性力學試驗下相關參數獲取工作的有序進行。

3.1納米壓痕實驗方法

由于納米壓痕實驗以數學模型作為主要的試驗方式，因此在保證納米壓痕實驗應用的過程中，需要對實驗過程中數學模型的構建方式及分析方法進行必要的選擇與優化，以此保證壓痕實驗結果的準確性與科學性。

通常納米壓痕實驗一般采用Oliver-Pharr的試驗方法，Oliver-Pharr的試驗方法充分以壓痕實驗中卸載過程中載荷-壓痕深度的曲線關系為依據，進而對被測試材料的壓痕硬度進行判定。在這一試驗方法體系下，單晶鍺納米壓痕實驗可以采用P=ɑ（h-hf）m的公式進行計算，進而明晰納米壓痕實驗過程中，單晶鍺各向異性力學性能中卸載深度與測試材料載荷之間的關系，其中ɑ是一種幾何常數，其大小與測試材料的性質、納米壓痕實驗的壓頭彈性模量及泊松比有著直接關系，m與試驗壓頭的體積結構有關［4］。為了對單晶鍺的各向異性剛度數據進行測算，需要實驗人員以P=ɑ（h-hf）m為依據，對其進行微分操作，引申出公式S=（dP/dh）h=hmax=ɑm（hmax-hf）m-1，通過這一公式能夠對單晶鍺各個異面在納米壓痕實驗中所表現中的剛度進行準確計算，進而更為直觀地反應單晶鍺各向異性力學剛度特征，對于其在實踐中的科學高效使用，發揮自身的材料優勢有著十分重大的作用。

3.2 納米壓痕實驗設備使用

納米壓痕實驗設備的高效使用，能夠在很大程度上提升實驗數據的準確性與科學性，為單晶鍺各向異性力學性能試驗的開展提供基礎條件。從實踐情況來看，在納米壓痕實驗開展過程中，通常以美國生產的Nanoindenter G200壓痕儀作為主要的檢測設備，將納米壓痕實驗過程中載荷分辨率精度提升到60nN，位移分辨率則控制在0.02nm范圍內，進而大大提升納米壓痕實驗設備對于單晶鍺各向異性力學體系中硬度、彈性模量及面塑性的計算準確性。對于實驗設備的使用，能夠在納米壓痕試驗中對單晶鍺（100）（110）（111）各個各向異面進行試驗數據的采集匯總與分析，并且Nanoindenter G200壓痕儀能夠通過自身內置的芯片記錄實驗中壓頭的位移量、載荷大小及時間間隔等實驗參數，為單晶鍺各向異性力學特征的計算創造了條件。

4 單晶鍺各向異性力學性能具體表現

單晶鍺各向異性力學在納米壓痕實驗中的體現，需要實驗人員對不同晶面的硬度、彈性模量及壓痕深度之間的關系進行判斷，通過對壓痕深度的分析，壓痕尺寸效應的產生原因進行全面的總結，并針對單晶鍺（100）（110）（111）在硬度、彈性模量及壓痕深度之間的差異性，利用數學方式進行原因分析與使用性能總結，從而推動其材料優勢的充分展示。

5 結語

為了充分發揮單晶鍺的材料優勢，促進其半導體產業的進步，滿足芯片微型化的發展要求，促進社會經濟的健康快速發展。本文以單晶鍺各向異性力學實驗為研究重點，將納米壓痕實驗作為切入點，對納米壓痕實驗的試驗原理與測試方式進行全面分析，將其與單晶鍺各向異性力學性實驗有機地結合起來，對單晶鍺各向異性力學的表現特征進行總結與概括，以期促進單晶鍺材料優勢的充分發揮。

［1］楊曉京，劉艷榮，楊小江，等.單晶鍺各向異性力學性能實驗［J］.農業機械學報，2014（5）：322-326.

［2］夏曉光，張宇.鍺單晶的各向異性對單點金剛石切削的影響［J］.新技術新工藝，2014（2）：110-112.

［3］楊曉京，劉艷榮，楊小江，等.納米尺寸單晶鍺各異性摩擦磨損性能試驗研究［J］.稀有金屬材料與工程，2015（8）：1904-1908.

［4］吳紹華，王侃，徐雨微，等.重摻雜低位錯鍺單晶生長及其微觀缺陷研究［J］.紅外技術，2015（10）：57-58.

［5］陳浩.壓力場中鍺光學性質的第一性原理計算與實驗分析［J］.武漢理工大學，2015（5）：107-108.

Experiment of Anisotropic Mechanical Properties of Single Crystal Germanium

Zhou Hang
（Changchun University of Science and Technology，Changchun Jilin 130000）

Single crystal germanium,as an important semiconductor material,plays a key role in the optimization and upgrading of China's electromechanical system development as well as the circuit of the system.In order to give full play to the role of single crystal germanium in promoting the development of semiconductor industry and meeting the needs of social and economic development,the related scientific and technical workers need to carry out a comprehensive experimental study on the anisotropic mechanical properties of single crystal germanium(100),(110),(111), analyzed the practicality and the processing to promote the orderly use of single crystal germanium in practice.Based on this,taking nano indentation experiment as the experimental means,the hardness and elastic modulus of single crystal germanium(100),(110),(111)shown in the test was recorded,to provide a theoretical reference for the application of its mechanical properties in practice.

single crystal germanium；anisotropy；nano indentation experiment；mechanical property

TN304.11

A

1003-5168（2016）11-0127-03

2016-10-13

周航（1990-），男，碩士在讀，研究方向：精密和超精密加工技術。