【摘要】：微納米結(jié)構(gòu)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于微電子技術(shù)所涉及的航空航天、國防、計(jì)算機(jī)、高鐵、汽車等諸多領(lǐng)域,比如芯片上的超大規(guī)模集成電路,對整個(gè)國民經(jīng)濟(jì)貢獻(xiàn)巨大。然而,由界面破壞或?qū)觾?nèi)缺陷(如裂紋、孔隙等)引發(fā)的復(fù)雜斷裂失效行為是阻礙其進(jìn)一步向小型化方向發(fā)展的主要因素。當(dāng)材料的尺寸縮小到微納米尺度,斷裂控制區(qū)(比如裂尖奇異應(yīng)力場)的尺寸也被限制在若干個(gè)納米范圍內(nèi)。這種情況下,基于連續(xù)介質(zhì)假設(shè)的傳統(tǒng)斷裂力學(xué)可能無法繼續(xù)用來解釋由若干離散原子控制的斷裂行為。因此,直接開展微納米尺度斷裂力學(xué)實(shí)驗(yàn)和理論研究是當(dāng)前該領(lǐng)域的重點(diǎn)問題。本文的主要內(nèi)容包括:本文首先研究了微納米結(jié)構(gòu)界面端裂紋啟裂行為。借助聚焦離子束(Focused Ion Beam,FIB)技術(shù)制備了一系列不同尺寸的微納米懸臂梁試件;以微納米薄膜Cu/Si界面為研究對象,在透射電子顯微鏡(Transmission Electron Microscopy,TEM)環(huán)境下開展了微納米懸臂梁彎曲原位加載觀測實(shí)驗(yàn)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)大范圍塑性變形控制著界面端附近裂紋啟裂的區(qū)域�；谶B續(xù)介質(zhì)界面端奇異應(yīng)力場理論,研究了大范圍屈服條件下該結(jié)構(gòu)界面端附近的應(yīng)力分布,確定了界面端奇異應(yīng)力場的尺寸,并獲得了控制界面端裂紋啟裂的臨界應(yīng)力強(qiáng)度參數(shù)。該臨界應(yīng)力強(qiáng)度參數(shù)與界面端奇異應(yīng)力場的尺寸無關(guān)。結(jié)果表明界面端附近10 nm尺度的奇異應(yīng)力場控制著界面端裂紋啟裂行為,揭示了經(jīng)典界面端奇異應(yīng)力場理論在10 nm尺度依然適用。然后,研究了微納米單晶硅非穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展行為。借助FIB技術(shù)制備了微納米梯形雙懸臂梁試件;基于TEM原位觀測技術(shù),設(shè)計(jì)并開展了微納米單晶硅雙懸臂梁非穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展原位加載觀測實(shí)驗(yàn)。原位觀測到微納米單晶硅沿(011)解理面裂紋啟裂、擴(kuò)展及止裂的整個(gè)過程,獲得了該材料的斷裂韌性、止裂韌性以及表面能密度,并提出了微納米尺度非穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展準(zhǔn)則�；诤A(yù)裂紋微納米懸臂梁彎曲原位觀測斷裂力學(xué)實(shí)驗(yàn),對微納米結(jié)構(gòu)競爭性斷裂行為進(jìn)行了研究。建立了一套基于交互作用積分和內(nèi)聚力模型的微納米結(jié)構(gòu)競爭性斷裂行為的理論分析模型�；趯�(shí)驗(yàn)結(jié)果,提取了分別表征裂紋擴(kuò)展和界面開裂兩種失效模式的關(guān)鍵斷裂參數(shù):Si N的層內(nèi)斷裂韌性和Si N/Cu界面的內(nèi)聚力參數(shù),即內(nèi)聚力強(qiáng)度和界面特征長度。結(jié)合實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,該競爭性斷裂行為分析模型預(yù)報(bào)了含預(yù)裂紋微納米懸臂梁試件的斷裂失效模式。該工作為微納米結(jié)構(gòu)的斷裂力學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和強(qiáng)度檢測提供了指導(dǎo)依據(jù)�；谀壳半y以有效地開展微納米尺度動(dòng)態(tài)斷裂力學(xué)實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)狀,本文最后對適用于動(dòng)態(tài)載荷下界面裂紋問題的理論模型進(jìn)行了研究。推導(dǎo)了可以求解含復(fù)雜界面非均勻材料動(dòng)態(tài)界面斷裂參量的交互作用積分方法。由于該交互作用積分表達(dá)式不含任何的材料導(dǎo)數(shù)項(xiàng),該交互作用積分不僅可以用于材料屬性可導(dǎo)的界面裂紋問題,也適用于材料屬性不可導(dǎo)的界面裂紋問題�；诶碚撏茖�(dǎo)和數(shù)值驗(yàn)證,該交互作用積分具有積分區(qū)域無關(guān)性,且對于積分區(qū)域包含復(fù)雜材料界面的情況依然有效。最后,結(jié)合交互作用積分與擴(kuò)展有限元方法,研究了材料屬性的不均勻性以及裂紋附近夾雜對界面裂紋動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子的影響。結(jié)果表明該交互作用積分可以有效地求解非均勻材料界面裂紋的動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子。該工作為將來開展微納米結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)斷裂力學(xué)實(shí)驗(yàn)提供模型儲(chǔ)備。
【圖文】：

圖 1-1 納米線薄膜晶體管[2]Fig. 1-1 Nanowire thin-film transistor (NW-TFT)[2]a) 納米線薄膜晶體管制備流程 b) 納米線薄膜的光學(xué)顯微照片a) Fabrication process of the NW-TFT b) Optical micrograph of NW thin filmc-d)納米線薄膜晶體管的光學(xué)顯微照片c-d) Optical micrograph of NW-TFTs

多尺度斷裂[13]
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：O346.1

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前4條

1 張段芹;劉建秀;褚金奎;;低維納米材料的力學(xué)性能測試技術(shù)研究進(jìn)展[J];微納電子技術(shù);2014年07期

2 李喜德;蘇東川;曾杜鵑;孫立娟;;基于光學(xué)和探針技術(shù)的微納米固體實(shí)驗(yàn)力學(xué)研究進(jìn)展[J];固體力學(xué)學(xué)報(bào);2010年06期

3 張鎮(zhèn)宇;許金泉;;薄膜涂層材料的界面破壞準(zhǔn)則[J];上海交通大學(xué)學(xué)報(bào);2007年06期

4 王陽元;;21世紀(jì)硅微電子技術(shù)三個(gè)重要發(fā)展方向——縮小器件尺寸、系統(tǒng)集成芯片(SOC)、產(chǎn)業(yè)增長點(diǎn)[J];華東科技;2007年Z1期

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本文編號(hào)：2635587