薄膜表面应力的产生和应用

2015-03-20李建忠

机械管理开发 2015年7期

李建忠，于海

（沈阳新松机器人自动化股份有限公司，辽宁沈阳 110168）

引言

人们研究表面科学已经有上百年的历史，学术界对表面应力的定义为：由拉伸或者弯曲引起材料表面面积的变化，同时消耗能量，材料产生此种单位面积变化所消耗的能量称为表面应力。薄膜表面应力的产生与表面自由能有一定的区别和联系，本文主要介绍薄膜表面应力的产生和应用情况。

1 表面应力的产生

通过对表面应力研究的不断深入，发现由微观特性推知宏观性质却面临着很大的困难，这促使人们不得不同时沿着宏观和微观这两条路径来研究表面的独特性质。

从宏观角度看，是由于外加负载带来的表面受力变化。近年来，应力和应变对材料表面性质的影响越来越受到重视，国内对这方面的研究也是如火如荼的进行着，无论是在理论研究、参数计算，还是实验方面都取得了不菲的成绩。

从微观角度看，表面应力存在的物理原因是原子间长程的作用和表面几何结构的变化，不同的表面结构会形成完全不同的表面应力。因此，表面应力也可以看作是一层覆盖在固体表面的一块已经被压缩或被拉伸的薄膜，能够施加侧向的力。在固体表面薄膜沉积后薄膜或多或少表现为弯曲现象，这时表面应力表现为拉应力或压应力，如图1所示，可以认为镀膜的应力是产生薄膜内力矩的力［1］。

图1 薄膜的拉应力和压应力

一般来说，在应力大到超过薄膜的弹性极限时，会产生脱落或破裂，所以，要尽量控制其大小。从实际角度考虑，避免外力的影响，表面应力主要包括两部分：

式中：σin是薄膜的本征应力，与薄膜的结构和成膜方式有关，实际生产中本征应力对应力的大小起到较大的作用；σth被称作热应力，主要是由于薄膜与固体基材的线性膨胀系数不同而造成的，在薄膜沉积时伴随环境温度而产生［2］。沉积温度的变化对薄膜应力的影响如图2所示。

图2 本征应力和热应力对表面应力的影响

图2中纵坐标σ代表表面应力的大小，横坐标T代表薄膜沉积环境的温度。从图2中可以看出，随着成膜温度的升高，总会找到表面应力较小的温度范围，这说明成膜温度的变化对薄膜应力产生的大小有一定的影响。

同时，固体表面的应力还会导致固体中的应变，这些应变一旦达到可以用于实验测量的大小，就可以用来计算相应的弹性能变化，我们称为相对表面应力大小，但这只是针对绝对表面应力的大小，而表面应力的测量就要涉及晶格收缩对颗粒大小的依赖性。这些晶格可以被看作网络，当被填满时，表面应力表现为最大［3］。

另外，在表面热力学中，有一个概念叫表面自由能。对于特定的材料，在一定的物理化学条件下它是一个常数，定义为生成单位面积表面所需要的能量，这个定义原来被认为是相当精确的［4］，然而，如果考虑材料的弹性变形（如拉伸或者弯曲过程）问题就变得比较复杂了，因为拉伸或者弯曲也会引起材料表面面积的变化，同时也消耗能量，这就与表面应力的定义产生了混淆，表面应力是否为表面自由能？如果是，它是否与材料变形无关？如果不是，那么它和表面自由能之间是否有关联？

对于此问题，Muller和Saul给出的解答是：表面应力不同于表面自由能，虽然两者的定义相同，都表示材料产生单位表面面积变化所需要的能量，但是，有两点区别：首先，发生这种物理过程的前提不同，前者为等表面原子数，而后者是等应变；其次，前者表现为纯变形，后者表现为表面的创造［5］。

既然这样，可以认为表面自由能是用来衡量将原子移到表面克服的能量差的量，表面原子的潜能高于体原子，原因是表面原子比体原子有较少的邻居，互相作用力小。所以表面自由能是一个表示生成单位表面积引起的系统自由能改变量的标量。因此，与表面应力有一定区别，同时，它是伴随着薄膜表面应力的存在而存在的。

2 表面应力的应用

伴随着表面应力变化的体应变显著地依赖于表面积同体积的比值，如薄膜、碳纳米管件等构件，电势导致的表面应力变化远大于输入电能，因而更加适合作为电机制动器。这些基于表面应力的制动器的优点是可以在低工作电压下有非常高的工作密度。

通过测量表面应力的改变量计算出薄膜应力差时薄膜在弯曲的应力下变形，当表面应力较小，而薄膜较厚时，变形后的形状呈球面；反之就会分叉，这对制备薄膜、控制薄膜形状是非常有用的。

另外，表面应力对于吸附原子有着重要的影响，主要表现在两方面：首先，吸附原子和基底表面原子的结合将导致基底表面原子之间化学键的强度减弱和平衡键增加，从而导致表面压应力的增加；其次，吸附原子的相互作用也导致表面应力的变化，吸引作用导致表面产生拉应力，排斥作用导致表面产生压应力。吸附原子和基底表面原子的结合引起表面应力的大小与吸附原子的密度呈线性关系，而吸附原子的相互作用引起表面应力与吸附原子的密度呈非单调的依赖关系。基于此特性，我们在镀膜时，可以通过控制轰击靶材的原子数量来保证薄膜质量。

由于表面应力的过大，也会带来负面效应，比如在薄膜制备时，由于薄膜非常薄，所以能够承受的表面应力是极度小的；其实薄膜的表面应力就是对其拉伸或弯曲时因改变薄膜表面的面积而产生的能量，而这种能量超过了薄膜能承受的范围，引起膜层裂开；另外，不易变形的工件上的薄膜不易拉伸弯曲，但不代表没有，其表面镀制的是一层很薄的膜层，所能承受的力很小。所以降低薄膜的表面应力是防止膜层裂开的一种有效的方法。