高熵合金薄膜應力及熱機械性質之量測｜國立清華大學博碩士論文庫

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研究生：	金安成 An-Cheng Chin
論文名稱：	高熵合金薄膜應力及熱機械性質之量測
指導教授：	周卓煇 Jwo-Huei Jou
口試委員:
學位類別：	碩士 Master
系所名稱：	工學院 - 材料科學工程學系 Materials Science and Engineering
論文出版年：	2004
畢業學年度：	93
語文別：	中文
論文頁數：	81
中文關鍵詞：	高熵、薄膜、應力
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本研究主要探討五至七元高熵合金薄膜，鍍覆在矽基材上之應力行為及熱機械性質，五元合金靶材成分為銅半鈷鎳鉻鋁 (Cu0.5CoNiCrAl)、六元高熵合金靶材成分為銅半鈷鎳鉻鋁鐵 (Cu0.5CoNiCrAlFe)及七元高熵合金靶材成分為銅半鈷鎳鉻鋁鐵鈦 (Cu0.5CoNiCrAlFeTi)，此合金薄膜皆以直流濺鍍方式製備，所使用之應力量測設備為彎柄儀(Bending Beam Apparatus)。

應力量測結果顯示，高熵合金薄膜熱處理前之室溫殘留應力呈現張應力，隨合金成分元素的增加，室溫殘留應力些微下降，而熱處理後之室溫殘留應力也呈現張應力行為，且其值大於熱處理前之室溫殘留應力。所得熱機械性質(dσ/dT)隨薄膜厚度增加而有明顯減少的趨勢，惟在厚度由25 nm增加至40 nm時，其變化趨勢並不明確，根據文獻可得79，薄膜晶粒大小隨鍍膜厚度增加而成長，因此隨膜厚增加，熱機械性質明顯降低。而熱處理所造成室溫殘留應力之變化差距，也隨薄膜厚度增加而減少。

熱處理所造成室溫殘留應力之變化差距，隨合金成分的增加而逐漸減小，特別在成分由六元增加至七元時，其減小程度最為顯著。由於鈦元素的添加，其有較大的原子半徑及較強的鍵結能力，造成明顯的固溶強化效應及嚴重的晶格扭曲，使得原子在高溫下擴散不易，因此在熱處理過程中，薄膜微結構相當穩定。量測結果顯示，七元高熵合金薄膜熱處理前後之應力行為相當接近。

目錄

壹、簡介………………………………………………………………….1
貳、文獻回顧…………………………………………………………….2
2-1 非晶質合金合金發展與應用……………………………………….2
2-1-1非晶質合金發展過程…………………………………………...2
2-1-2非晶質合金製程………………………………………………...3
2-1-3非晶質合金的優越特性………………………………………...4
2-2高熵合金……………………………………………………………..5
2-2-1開發背景………………………………………………………...5
2-2-2 高熵合金的特點……………………………………………….7
2-3 薄膜應力…………………………………………………………….9
2-3-1 理論…………………………………………………………….9
2-3-2 彎柄儀技術…………………………………………………...10
2-3-3 金屬薄膜在基材上之應力……………………………………11
2-4 溫度對薄膜本質應力的影響…………………………………...13
2-5 利用熱應力變化量測薄膜的熱機械性質……………………...13
參、理論與原理………………………………………………………...16
3-1 濺鍍原理…………………………………………………………...16
3-2 薄膜應力量測理論………………………………………………...18
3-2-1 基本平衡公式………………………………………………...18
3-2-2 二層結構應力理論…………………………………………...20
3-2-3 三層結構應力理論…………………………………………...22
3-2-4彎柄儀量測基材的彎曲半徑………………………………….24
3-2-4.1 絕對彎曲半徑量測………………………………………24
3-2-4.2 相對彎曲半徑量測………………………………………25
3-2-5多層結構應力理論…………………………………………….27
肆、實驗方法…………………………………………………………...32
4-1 合金組成…………………………………………………………...32
4-2 靶材製備…………………………………………………………...32
4-3 薄膜製備…………………………………………………………...33
4-4 試片彎曲半徑的量測……………………………………………...33
4-4-1 絕對彎曲半徑的量測………………………………………...33
4-4-2 相對彎曲半徑的量測………………………………………...34
伍、結果與討論…………………………………………………………36
5-1 五元高熵薄膜在矽基材上的應力行為…………………………...36
5-2 六元高熵薄膜在矽基材上的應力行為…………………………...38
5-3 七元高熵薄膜在矽基材上的應力行為…………………………...39
5-4 薄膜厚度及成分對應力行為之影響……………………………...43
陸、結論…………………………………………………………………45
柒、參考文獻............................................................................................46

















表目錄

表一 元素特性列表................................................................................51
表二 高熵合金薄膜於第一次降溫(150℃至50℃)之熱機械性(dσ/dT)…………………………………………………………………52
表三 高熵合金靶材維氏硬度表………………………………………53
表四 高熵合金薄膜熱處理所造成室溫殘留應力之變化差距………………………………………………………………………..54












圖目錄

圖一 真空彎柄儀裝置圖........................................................................55
圖二 薄膜受應力彎曲示意圖................................................................56
圖三 薄膜微結構與基材溫度、工作氣壓關係………………………..57
圖四 二極直流濺射裝置示意圖………………………………………58
圖五 n層結構示意圖………………………………………………......59
圖六 彎柄儀量測試片絕對彎曲半徑示意……………………………60
圖七 彎柄儀量測試片相對彎曲半徑示意圖…………………………61
圖八 25 nm五元高熵合金薄膜之應力對溫度變化關係圖………......62
圖九 40 nm五元高熵合金薄膜應力對溫度變化關係圖…………......63
圖十 80 nm五元高熵合金薄膜應力對溫度變化關係圖…………......64
圖十一 五元高熵合金薄膜在第一次升溫時膜厚對應力行為之影響………………………………………………………………………..65
圖十二 五元高熵合金薄膜在第一次降溫時膜厚對應力行為之影響………………………………………………………………………..66
圖十三 25 nm六元高熵合金薄膜應力對溫度變化之關係圖……......67
圖十四 40 nm六元高熵合金薄膜應力對溫度變化關係圖………......68
圖十五 80 nm六元高熵合金薄膜應力對溫度變化關係圖…………..69
圖十六 六元高熵合金薄膜在第一次升溫時膜厚對應力行為之影響………………………………………………………………………..70
圖十七 六元高熵合金薄膜在第一次降溫時膜厚對應力行為之影響………………………………………………………………………..71
圖十八 40 nm七元高熵合金薄膜應力對溫度變化關係圖…………..72
圖十九 80 nm七元高熵合金薄膜應力對溫度變化關係圖…………..73
圖二十 七元高熵合金薄膜在第一次升溫時膜厚對應力行為之影響………………………………………………………………………..74
圖二十一 七元高熵合金薄膜在第一次降溫時膜厚對應力行為之影響………………………………………………………………………..75
圖二十二 25 nm第一次升溫時成分對應力行為之影響……………..76
圖二十三 25 nm第一次降溫時成分對應力行為之影響……………..77
圖二十四 40 nm第一次升溫時成分對應力行為之影響……………..78
圖二十五 40 nm第一次降溫時成分對應力行為之影響……………..79
圖二十六 80 nm第一次升溫時成分對應力行為之影響……………..80
圖二十七 80 nm第一次降溫時成分對應力行為之影響……………..81

                                

柒、參考文獻

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