Новый метод для Разное Электромеханическая характеристика наноразмерных образцов

Электродвигательная деформация (EAD) является полезным инструментом для процессов деформации металла, таких как ковка, штамповка, экструзия и т . Д. Процесс EAD включает в себя применение электрического тока через металлическую заготовку во время деформации, что значительно улучшает формуемость металла за счет снижения напряжений потока, увеличения напряжения до отказа и иногда устранения упругого возврата после формирования ^{1 , 2 , 3} . Несмотря на рост использования, не существует консенсуса относительно механизма, посредством которого EAD улучшает формуемость металлов. В настоящем документе описывается подготовка образца и процедура испытаний для эксперимента, в котором можно выделить потенциально конкурирующие механизмы EAD и обеспечить возможность микроструктурного исследования in situ во время тестирования.

Существуют две гипотезы для влияния EAD на формирование металла. Первая гипотеза, эффект джоулева нагрева, staЧто приложенный ток сталкивается с электрическим сопротивлением в формовочном металле, что приводит к увеличению температуры и приводит к размягчению и расширению материала. Вторая гипотеза называется электропластикой, в которой электрический ток увеличивает деформацию за счет снижения энергии активации дислокаций. Обе эти гипотезы возникли из экспериментов в 1970-х годах с участием кратковременных импульсов тока, применяемых к механически деформирующимся металлам ^{4 , 5} . Более поздние исследования обычно включают в себя импульсы постоянного тока меньшего тока, которые более актуальны для производственных применений, но исследователи продолжают не соглашаться на их интерпретацию данных EAD.

Интерпретация данных EAD затруднена из-за сильно связанной природы приложенного электрического тока и увеличения тепловой энергии. Даже малые плотности тока в высокопроводящих металлах могут значительно повышать температуру материала; Например , 130-240 ° С с плотностью тока 33-120 А / мм ² для различных сплавов алюминия и меди ^{6 , 7 , 8 , 9} . Это изменение температуры может существенно повлиять на модуль упругости, предел текучести и стресс потока, что затрудняет различие между тепловыми и электропластическими эффектами. Подчеркивая эту трудность, можно найти последние исследования, поддерживающие гипотезу о джоулевом нагреве или гипотезу электропластичности. Например, изучая электромеханическую деформацию в различных сплавах алюминия, меди и титана, исследователи сообщили, что электропластичность способствовала усиленной деформации, потому что эффект не мог быть объяснен только разогревом Джоуля ^{1 , 6 , 7} . Контрастность этих отчетов - исследования, которые учитывают снижение напряжения EAD в tИталия, нержавеющей стали и Ti-6Al-4V до тепловых эффектов ^{10 , 11} .

Термическое управление не относится к исследованиям EAD, но, скорее, является общей проблемой при исследовании свойств электромеханических материалов. Особенно в крупных образцах, где центр масс глубоко изолирован от окружающего, поддержание однородной температуры может быть сложным. Еще одной проблемой электромеханического тестирования, связанной с размером образца, является способность выполнять in situ и наблюдения в реальном времени фундаментальных изменений микроструктуры, связанных с электромеханическим напряжением. Механические испытания на месте TEM обычно проводятся на стандартных образцах ^12, но неравномерное поперечное сечение образцов будет создавать зависящие от геометрии изменения плотности тока и теплопередачи вблизи калибровочной секции. Подводя итог, основные проблемы при наблюдении и интерпретации EA D связаны с размером образца и могут быть суммированы следующим образом: 1) термоэлектрическая связь влияет на температуру образца, что затрудняет выделение единого предлагаемого механизма EAD и 2) стандартные образцы и процедуры испытаний не существуют для in situ , в режиме реального времени Изучение материала при растяжении при приложении электрического тока. Устранение этих проблем возможно, выполняя эксперименты EAD на образце с секцией сверхнизкого объема в просвечивающем электронном микроскопе (TEM), контролируя электрический ток, механическую нагрузку и температуру.

В этой статье мы описываем процедуру подготовки и испытания образца для эксперимента EAD, в котором эффекты джоулева нагрева незначительны, используя структуру образца с микро / наноразмерным сечением (10 мкм × 10 мкм × 100 нм), прикрепленным к большему Стабилизирующая опорная рама. Благодаря аналитическому и численному моделированию было показаноЧто при этой конфигурации даже большие плотности тока (~ 3500 А / мм ² ) привели к очень небольшому увеличению температуры образца (<0,02 ° С). Трехмерная схема микроэлектронной системы электромеханических испытаний на микроуровне (MEMTS) показана на рисунке 1. Еще одно важное преимущество метода, представленного здесь, состоит в том, что вместо того, чтобы анализировать образцы после теста, как это часто делается ¹⁴ , структура образца и опорная рама предназначены для установки непосредственно в просвечивающий электронный микроскоп ( TEM), оснащенный возможностью одновременного использования как электрических, так и механических нагрузок.Эта установка позволяет наблюдать в реальном времени деформацию материала при разрешении нано-атомного уровня. Хотя монокристаллические образцы меди используются для описанной здесь процедуры , Этот способ является достаточно гибким для применения к другим образцам материала, включаяМеталлов, керамики и полимеров ^{15 , 16} .

1. Микрообработка Si-рамок

1. Спиновое покрытие (3000 об / мин и 30 с) фоторезист SPR220-7 (PR) на Si-платформе толщиной 180 мкм. Используйте достаточно PR, чтобы полностью покрыть пластину. Кристаллическая плоскость ориентации пластины не важна.
2. Мягкое выпекание пластины с PR-слоем (толщиной около 7,5 мкм) при 60 ° C в течение 2 минут, а затем при 115 ° C в течение 90 с на плите.
3. Экспозиция слоя PR к ультрафиолетовому излучению через узорную хромовую / стеклянную фотомаску, которая позволяет свету проходить через нее, чтобы определить форму рамы Si. Используйте стандартное фотолитографическое оборудование и процессы для этого шага и следующего ( рис. 2a-b ).
4. Разработайте образцы, выставленные через фотомаску, погружая Si-пластину с PR на нее в неразбавленном MF 24A или MF 319 в течение примерно 1 минуты ( рисунок 2c ). Образец PR-слоя служит в качестве маски во время шага 1.6.
5. Свяжите пластину Si толщиной 180 мкм с подложкой Si wafe толщиной 500 мкмR с использованием временного клея с низкой температурой плавления для упрощения обработки ( подробнее см. Таблицу материалов ). Нагрейте адгезив в стеклянной посуде с помощью горячей плиты (70 ° C) и используйте достаточно клея для покрытия опорной пластины. Затем слегка надавите на кремниевую пластину толщиной 180 мкм на пластину толщиной 500 мкм ( рис. 2d ).
6. Etch через верхнюю кремниевую пластину сверху, чтобы создать отдельно стоящие структуры. Используйте любое количество коммерчески доступных индуктивно связанных плазменных реактивных ионных травильных систем, которые используют процесс Bosch с газами SF ₆ и C ₄ F ₈ для этапа травления. В процессе Bosch чередующиеся циклы осаждения пассивирующего слоя и плазменного травления приводят к глубоко вытравленным траншеям с почти неповрежденными боковыми стенками) (рис. 2е).
   1. Начните с потоков 3 и 100 sccm SF ₆ и C ₄ F _{8 в} течение 5 с во время осаждения и 100 и 2,5 сантиметров SF3 и C ₄ F
7. Каждые 20 минут измерьте глубину протравленной траншеи с помощью профилометра для калибровки скорости травления, характерной для инструментов и рецепта травления.
8. Отсоедините опорную пластину Si и очистите тонкую пластину Si, удалив временный клей и PR, используя ночную ацетоновую смолу ( рис. 2f ). Затем тщательно промойте тонкую пластину деионизированной (DI) водой.
9. Помещают изоляционный слой SiO ₂ при 300 ° С по обе стороны рамы Si, используя любую коммерчески доступную систему плазменного химического осаждения из паровой фазы (PECVD) с газами SiH ₄ , N ₂ O и N ₂ ( рисунок 2g ). Используйте стандартные рецептуры осаждения SiO ₂ , например , используйте 5% SiH ₄ при 170 сантиметрах и N ₂ O при 710 сантиметров, Чтобы осадить слой SiO ₂ толщиной 2-3 мкм.
10. Разбейте вкладки, соединяющие отдельные прямоугольные рамки Si с окружающими структурами. Используйте острые пинцеты под оптическим микроскопом ( рисунок 2h ).

2. Лазерная наметка металлических образцов

1. Вырежьте кусок медной фольги размером 5,0 см х 5,0 см (чистота 99,99%, см. Таблицу материалов ) и прикрепите ее лентой к стеклянному слайду. Спиновое покрытие с обеих сторон слоем PR толщиной 1 мкм. В то время как фольга с широким диапазоном толщины (до 100 мкм) может быть разрезана лазерными методами, здесь для демонстрации используют две разные толщины (13 мкм и 25 мкм). Используйте достаточный PR для полного покрытия поверхностей. Выпекать PR при 115 ° C в течение 2 мин. PR необходим для защиты поверхности медной фольги от обломков, полученных во время этапа лазерной резки, и для химического травления пучков образцов (см. Шаг 2.4), не затрагиваяЕ поверхности фольги.
2. Используя импульсный импульсный лазер Nd: YVO ₄ мощностью 355 нм, 10 Вт, с трехфазным импульсом с частотой 50 кГц с длительностью импульса ~ 90 нс, вырезали массив из 5 4 отдельных образцов, каждый из которых удерживался медной рамой длиной 4 мм Шириной 1 мм ( рисунок 3b ).
3. Настройте лазерный луч на плотность 65 мДж / см ² на поверхности медной фольги. Это обеспечивает достаточную энергию лазера для обрезания меди в два прохода без чрезмерного нагрева и / или повреждения соседней меди. Образец для каждого образца генерируется зеркальным зеркалом Galvo, который сканирует лазерный луч для обрезки медной фольги, генерирующей по 20 образцов за раз ( рис. 3а ). Отрегулируйте ширину луча образца лазерной резки от 30 мкм (для фольги толщиной 13 мкм) до 50 мкм (для фольги толщиной 25 мкм).
4. Химически протравливать массив образцов, погружая его в 40% жидкий хлорид железа при 40-60 ° С в течение 30 с (для фольги толщиной 13 мкм) или 40 с (для tОн фольга толщиной 25 мкм) для удаления потенциально поврежденных краев для лазерной резки, уменьшения ширины отдельных лучей образца ниже 20 мкм ( рис. 3c ) и получения гладкого профиля края луча.
5. Удалите защитный фоторезист, погрузив массивы в отдельные ванны с растворителем из первого ацетона, затем метанолом, а затем изопропанолом, а затем высушите азотом. Храните образцы образцов в сухом эксикаторе азота. Схема поперечного сечения вышеуказанных этапов изготовления показана на рисунке 3d .
6. Используйте лазер, чтобы вырезать коробку вокруг массива образцов, освободив ее от остальной части медной фольги.

3. Собрания и эксперименты ТЭМ на месте

1. Отсоедините отдельный образец (включая его медный каркас) с помощью мини-ножниц. Поместите небольшое количество серебряной эпоксидной смолы на кремниевую раму и аккуратно выровняйте образец под оптическим микроскопом, так что образец образца охватывает узкий зазор в центреE ( рисунок 4a ).
2. Подобно шагу 3.1, соедините серебряные провода (диаметром 50 мкм) с обоими концами образца серебряной эпоксидной смолой ( рис. 5в ).
3. Используйте фрезерование сфокусированного ионного пучка (FIB) для создания участка наноразмера (100 нм x 10 мкм × 10 мкм) с несколькими плечами. Постепенно более толстые поперечные сечения, удаляющиеся от калибровочной секции, предназначены для обеспечения плавного перехода в плотности тока, более равномерной плотности тока в измерительной секции и для минимизации локализованного нагрева на любом данном плече. Чтобы минимизировать ущерб, используйте уменьшенное ускоряющее напряжение (5 кВ) и ток (<80 pA) во время окончательного фрезерования образцов меди. Измерьте площадь поперечного сечения датчика с помощью изображений сканирующего электронного микроскопа (SEM) ( рис. 4b-e и 5b ).
4. Удалите рамы для образцов с помощью лазерной резки, FIB или мини-ножниц (см. Вставку на рисунке 4a ). Хотя это не так, на изображении,F разрез должен идеально удаляться от измерительной секции, чтобы свести к минимуму возможный материальный ущерб измерительной секции.
5. Установите MEMTS на один держатель TEM с натягом TEM (см. Таблицу материалов ) под оптическим микроскопом, а затем прикрепите его с помощью болтов и непроводящих шайб. Шайбы используются для предотвращения нежелательного кручения во время сборки. Используйте шайбы (толщиной 0,5 мм), выполненные по образцу из жесткого волокна с использованием 50 -вольтовой системы CO ₂ (см. Таблицу материалов для конкретных параметров во время лазерной резки).
6. Соедините серебряные провода с шага 3.2 с металлическими штифтами ( рис. 5а ) на держателе ТЕА, используя серебряную проводящую эпоксидную смолу.
7. Используя ручной или настольный мультиметр, проверьте сопротивление на MEMTS (B и C на рисунке 1 ), чтобы убедиться, что участок датчика не сломан. Сопротивление должно быть менее 100 Ом. Также измерьте сопротивление между MEMTS и электрически заземленным держателем образца ТЕА, чтобы подтвердить, что между образцом и держателем ТЕА нет электрического перекрестного помеха. Если образец изолирован, измеренное сопротивление должно быть больше 10 МОм.
8. Поместите держатель TEM с помощью MEMTS в TEM для экспериментов на месте .
9. Подключите внешний источник питания постоянного тока (см. Таблицу материалов ) к встроенным электрическим входам в держателе ТЕА для подачи входных сигналов постоянного тока к образцу снаружи камеры ТЕА для управления электрическим током. Расположение электрических соединений будет зависеть от производителей держателей ТЕА, но для этого исследования соединения были расположены на рукоятке держателя, а штыревые разъемы использовались для подачи питания от источника к образцам ТЕА. Получите номинальную плотность тока в измерительной секции, разделив входной ток на площадь поперечного сечения (полученную из изображения SEM на рисунке 5b ).
   ПРИМЕЧАНИЕ. Единственный наклон sОбучающий держатель TEM содержит встроенный привод, который управляется отдельным контроллером смещения ( таблица материалов ).
10. Управляя механической и электрической нагрузкой, приобретайте TEM-изображения во время последующих шагов. Могут также использоваться другие нагрузки на нагрузку и ток.
11. Применяйте растягивающую деформацию постепенно небольшими шагами в зависимости от разрешения встроенного пьезопривода (~ 0,34 нм в этом примере) до тех пор, пока не будет наблюдаться движение одной или многих дислокаций в одно и то же время. Это важный шаг, так что любое дополнительное увеличение тепловой и / или электрической энергии вызывает дополнительное движение.
12. Позвольте образцу уравновешиваться в течение одной минуты.
13. Примените плотность входного тока к образцу. Из-за малого поперечного сечения ток должен быть достаточно низким, даже при больших плотностях тока, что это не приведет к значительному повышению температуры ( ) В tОн измеряет сечение. Максимальное повышение температуры в центре измерительной секции зависит от геометрии образца и свойств материала, как обсуждается ниже.
14. Чтобы изображение образца находилось в стационарном состоянии, держите его под электронным лучом в течение минуты, удерживая ток до получения изображений. Разрешение образца уравновешиваться таким образом применяется после любого изменения механической или электрической нагрузки.

Подготовка и тестирование, как описано выше, должны привести к тому, что образец, который разрушается на своем датчике, аналогичен образцу монокристаллической меди (SCC), показанному на рисунке 6а . Механический сбой должен сопровождаться большим увеличением сопротивления, подтверждающим, что образец SCC электрически изолирован изолированными шайбами ​​и оксидной оболочкой из кремниевой рамы. Плоские дислокации в образце должны наблюдаться с использованием режима яркого поля ТЕА, сфокусированного вблизи оси зоны. Постепенно увеличивая напряжение до достижения напряжения потока (состояние равновесия после выхода), движения дислокаций должны быть видны ( рис. 6, б ). При дополнительном растяжении и / или приложенном токе соответствующие перемещения дислокаций могут непрерывно контролироваться.

фигура7 показаны репрезентативные изображения во время эксперимента EAD на образце SCC 13 . После деформации образца до его равновесного состояния после выхода, дополнительная деформация была применена без применения какого-либо тока (см . Рис. 7, б 1 ). Это привело к появлению новой дислокационной петли (или, возможно, второго скользящего скольжения), как показано стрелкой на рисунке 7b 2 . Без изменения деформации была применена плотность тока 500 А / мм 2 , но это не вызывало заметного движения в любой дислокации ( рис. 7, б 3 ). Ток удаляли, образец поддерживали постоянным в течение одной минуты, и напряжение снова увеличивали, снова приводя к заметным изменениям в дислокационной петле, обозначенной стрелкой на фиг. 7b 4 . Этот результат иллюстрирует потенциал этой процедуры для изоляции тепловых и электрических эффектов, связанных с деформацией с электроприводом. Эксперименты с более высокой плотностью тока (до 5 кА / мм 2 ) также были выполнены с использованием этой методики, что дает аналогичные результаты - никакого наблюдаемого дополнительного движения дислокаций при отсутствии дополнительной деформации. Использование более высоких плотностей тока подчеркивает способность этой техники устранять термические напряжения, вызванные джоулевым нагревом, которые усложнили предыдущие наборы данных EAD.

Учитывая малый размер участка образца, выбор высококачественного материала имеет первостепенное значение. Например, дефекты микромасштабных материалов, например пустоты, вблизи калибровочной секции, приведут к катастрофическому разрушению образца во время подготовки материала ( рис. 4 г ). Это особенно Поскольку трудно понять, есть ли невидимые дефекты материала в измерительной секции без проведения дополнительных неразрушающих испытаний, таких как рентгеновская дифракционная топография.

Другой ключевой задачей является возможное повреждение поверхности при лазерном или сфокусированном ионном измельчении, включая имплантацию Ga-ионов, индуцированные ионным пучком дислокации и образование аморфных структур при нагреве, вызванном лазером. Большинство поверхностных артефактов можно удалить, используя нежный процесс фрезерования FIB (шаг 3.3). Однако использование этих методов микрообработки все еще требует тщательного рассмотрения, поскольку эти поверхностные дефекты могут изменять микроструктуры образца и в значительной степени влиять на результаты эксперимента EAD. В нашей работе мы использовали изображения ТЕМ с высоким разрешением и дифракционные рисунки, чтобы подтвердить, что наши образцы действительно были первозданной монокристаллической меди . Рисунок 6 c .

Content "fo: keep-together.within-page =" 1 "> Следует отметить, что максимальное повышение температуры в центре измерительной секции можно вычислить, используя следующее уравнение 13 : где - плотность тока, - длина калибровочной секции, Электрическое сопротивление и - теплопроводность. Уравнение указывает, что повышение температуры в калибровочной секции очень чувствительно к Так как максимальное увеличение температуры образца напрямую связано с квадратом длины колеи. Например, увеличивая длину измерительной секции на порядок, от 10 мкм М (используется в настоящем исследовании) до 100 мкм, увеличило бы повышение температуры на два порядка. Вместо повышения температуры ~ 0,02 ° C температура увеличилась бы на ~ 2 ° C, и это, вероятно, существенно повлияло бы на это исследование. Кроме того, выбор материала также влияет на повышение температуры. Медь, используемая в этом исследовании, обладает относительно низкими электрическими резистивными и высокими коэффициентами теплопроводности и, как результат, для данной плотности тока ожидаемое повышение температуры в образце меди будет намного меньше по сравнению с другими образцами материала. В качестве примера платина имеет в 6 раз большее удельное сопротивление и в 5 раз меньшую проводимость 17 по сравнению с медью, и в результате ожидается гораздо больший рост температуры (примерно в 30 раз) для случая платины, когда длина датчика и заданная плотность тока являются одна и та же.

P_upload / 55735 / 55735fig1.jpg "/>
Рисунок 1: Микромеханическая электромеханическая испытательная система (MEMTS). Это изображение представляет собой трехмерную (3D) схему, показывающую важные компоненты и то, как образцы вписываются в держатель ТЕА. Только провода, соединяющие образец с выводами на держателе ТЕА, не показаны. Нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Рисунок 2: Процесс изготовления кремниевых фреймов. Голая пластина Si ( a ) покрыта спин-фильтром с помощью фоторезиста ( b ), который затем рисуется с использованием фотолитографии. Экспонированный фоторезист развивается, чтобы обнажить подложку Si ( c ). Пластина временно связана с более толстой опорной пластиной и реактивнойИонного травления (RIE) используется для травления через более тонкую верхнюю пластину ( d - e ). Ацетон используется для удаления фоторезиста и для отсоединения опорной пластины ( f ). Затем на всю поверхность выгравированной пластины ( g ) наносят слой оксида кремния. Наконец, отдельные рамы отделены от пластины, осторожно вытаскивая их без их опорных вкладок ( h ). Нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Рисунок 3: Изготовление металлических образцов. Оптические изображения ( а ) массива образцов меди ( б ) отдельного образца и ( в ) увеличенный вид измерительной секции. Шаги процесса изготовления показаны в ( d b ). Обе стороны тонкой фольги покрыты фоторезистом для защиты образца во время лазерной резки ( d , сверху). Структуры обрабатываются лазером ( d , второй), а затем вытравливаются для получения гладких краев ( d , третий). Многие образцы могут быть изготовлены из одного производственного цикла, как показано на ( a ). Наконец, фоторезист снимают и отдельные образцы осторожно удаляют с листа образца ( d , bottom). Нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Рисунок 4: Изображения фрезерования фокусированного ионного пучка (FIB). На изображении ( а ) показан образец, прикрепленный к раме Si и крупным планом(Вставка) опоры образца после ее лазерной резки. Изображения ( b ) - ( e ) показывают, что сечение измерителя становится все более тоньше во время последовательных проходов FIB. Каждый проход удаляет меньше материала для улучшения отделки поверхности и уменьшения изменений свойств материала из-за процесса измельчения. Тем не менее, возможно, что дефекты дефектов колеи остаются ( f ), что может привести к разрушению материала даже до нанесения какой-либо деформации ( г ). Нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Рисунок 5: Образец, установленный в держателе ТЕА. ( А ) и ( б ) показывают собранный образец в держателе ТЕА и конечный размер калибровочной секции с гладкими поверхностями, используя генTle FIB фрезерование. Когда образец прикрепляется к раме Si, а серебряные проводы прикрепляются с использованием проводящей эпоксидной смолы ( c ), два круглых отверстия в раме Si используются для крепления образца в держателе TEM. Непроводящие шайбы используются для изоляции образца от держателя ТЕА. Наконец, серебряные провода прикрепляются к держателям держателей TEM с помощью проводящей эпоксидной смолы. Изменено 13 , с разрешения AIP Publishing. Нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Рисунок 6: Репрезентативная монокристаллическая медь (SSC). ( А ) показывает измерительную секцию (местоположение А на рис. 1 ), выполненную после отказа измерительной секции. ( B C ) показана дифракционная картина в измерительной секции. Изменено 13 , с разрешения AIP Publishing. Нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Рисунок 7: Экспериментальные TEM-изображения in situ EAD. Эти изображения показывают механические и электрические нагрузки на движение дислокации. ( B1 ) - ( b4 ) показывают масштабное изображение области ( b ) в ( a ). ( B1 ) показывает образец в состоянии равновесия после выхода. ( B2 ) идентифицирует образование дислокационной петли в результате дополнительной деформации за пределами состояния, указанного в ( b3 ). Когда напряжение снова увеличилось, снова были замечены дальнейшие изменения дислокаций ( b4 ). Перепечатано 13 , с разрешения AIP Publishing. Нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Авторы заявляют, что у них нет конкурирующих финансовых интересов.