Stanovení mechanických vlastností tenkých filmů pomocí numerického modelování experimentálních testů

Abstract

Testování tenkých filmů pomocí "Bulge testu" je experimentální technika která zahrnuje použití numerických a analytických přístupů k charakterizaci mechanických vlastností tenkých vrstev. Tato práce se zabývá některými omezeními nalezenými v klasických modelech, které popisují chování tenkých vrstev podrobených tomuto testu. Za tímto účelem byly vyvinuty nové modely a numerické strategie pro stanovení různých mechanických vlastností jednovrstvých a dvouvrstvých tenkých vrstev za odlišných strukturních podmínek, jako je elasticita, plasticita a lom. Kombinací metody konečných prvků a klasických analytických řešení byly navrženy a ověřeny různé metodiky pro výpočet elastických vlastností (E a v), zbytkových napětí, meze kluzu a lomové houževnatosti. Mechanické vlastnosti filmů z nitridu křemíku, hliníku a zlata byly charakterizovány pomocí experimentálních dat o zatížení-průhybu získaných z měření. Stanovené vlastnosti vykazovaly uspokojivou shodu s což potvrdilo, že metody navržené v této práci mohou být užitečné pro odhad mechanických vlastností se známými materiálovými vlastnostmi tenkých vrstev.Bulge testing is an experimental technique that involves the use of numerical and analytical approaches to characterize the mechanical properties of thin films. This thesis addresses some limitations found in the classical models that describe the behavior of thin films subjected to this test. This required the development of new models and numerical strategies in order to determine several mechanical properties of monolayer and bilayer thin films under different structural conditions, such as elasticity, plasticity, and fracture. By combining finite element analysis and classical analytical solutions, different methodologies for calculating the elastic properties (E and v), residual stresses, yield stress, and fracture toughness were proposed and validated. The mechanical properties of silicon nitride, aluminum, and gold films were characterized using load-deflection experimental data obtained from bulging measurements. The determined properties showed reasonable agreement with materials of known properties, which validated that the proposed methods in this work can be useful for estimating the mechanical properties of freestanding thin films.