单晶Si表面微观磨损机理的SEM研究

单晶Si表面微观磨损机理的SEM研究单晶 Si表面微观磨损机理的 SEM 研究孙 � 蓉1, 2 ,徐 � 洮1 ,张治军2 ,刘惠文1 ,薛群基1 ( 1 中国科学院兰州化学物理研究所固体润滑国家重点实验室,甘肃兰州 73000; 2 河南大学特种功能材料重点实验室,河南开封 475001) � � 基金项目:国家自然科学基金资助项目(No. 50172052, No. 50175105) ,中国科学院百人计划资助项目. � � 在微型机电系统和计算机磁记录系统中, 硅材料的应用正日益受到重视。这是由于硅材料具有硬度高、表面光洁...

单晶 Si表面微观磨损机理的 SEM 研究孙 � 蓉1, 2 ,徐 � 洮1 ,张治军2 ,刘惠文1 ,薛群基1 ( 1 中国科学院兰州化学物理研究所固体润滑国家重点实验室,甘肃兰州 73000; 2 河南大学特种功能材料重点实验室,河南开封 475001) � � 基金项目:国家自然科学基金资助项目(No. 50172052, No. 50175105) ,中国科学院百人计划资助项目. � � 在微型机电系统和计算机磁记录系统中, 硅材料的应用正日益受到重视。这是由于硅材料具有硬度高、表面光洁度好、成本低廉、易于采用集成电路技术制造和有利于器件微小型化等特点。因此,有关硅材料的微观摩擦学问题的研究已成为国际摩擦学领域的前沿课题。由于单晶 Si材料脆性较大,在摩擦过程中往往迅速发生脆性断裂, 以前的研究多集中于单晶 SiO2 和表面经过改性的单晶 SiO2 的摩擦磨损过程 [ 1, 2] , 而对单晶 Si本身的摩擦磨损性能的研究,较少见报道。本文利用 UMT�2M 微摩擦试验机, 采用线性加载条件下的刻划方式考察了单晶 Si表面的微摩擦性能, 并结合扫描电子显微镜对单晶Si表面摩擦轨迹的微观形貌及摩擦磨损机理进行了分析。实验部分实验用单晶 Si样品经切割后制成尺寸为 20mm � 20mm � 3mm 的薄片,其晶面为( 100)面,显微硬度约为 1160HV0�01。摩擦实验前单晶Si片在丙酮中超声清洗 10min, 用热风吹干。摩擦磨损试验采用美国产UMT�2M微摩擦试验机, 在室温和相对湿度为 20%~ 30%的空气中进行, 摩擦对偶选择顶端半径为0�4mm的复合金刚石探头刻划, 探头行进速度为 0�1mm�s,加载速度为2g�s。经摩擦后的单晶Si样品用 JSM�5600LV扫描电子显微镜对其表面摩擦轨迹的微观形貌进行分析。结果与讨论图1所示为 UMT 输出的摩擦实验结果。其中 FZ 为法向载荷, Ff 为摩擦力, A E 为摩擦过程中的声信号。可以看出在摩擦的开始阶段, 随着法向载荷的逐渐增大, 摩擦力平稳增大, 声信号 A E 小且平稳;当法向载荷达到 98g 时,摩擦力 F f 与声信号A E 突然同时增大, 标志着被测样品表面开始出现较明显的脆性断裂。为了确定在摩擦过程中单晶 Si表面的磨损机理, 我们通过扫描电镜( SEM)对单晶 Si表面的摩擦轨迹进行了分析。图 2中 a、b、c按顺序显示了摩擦轨迹从开始到剧烈磨损不同阶段的 SEM 照片。从照片中可以看到,在开始阶段(图 2 a) ,划痕表面较平整,有均匀连续的塑性变形层, 摩擦轨迹边缘有少许磨屑, 但无脆性断裂形成。随着压力的增加, 剥落增多并出现小的脆性断裂所形成的凹坑(图 2 b) ,此时没有出现声信号 A E 和摩擦力Ff 的明显增大。当压力继续增大(大于98g)时,声信号 A E 和摩擦力Ff 突然变大,表面出现了大的脆性断裂(图 2 c) , 这与图 1所示的摩擦曲线是相互对应的。为了便于观察脆性断裂从小到大的变化过程, 我们缩小放大倍数得到了图 2 d, 从中可以看到, 磨损的加剧、裂纹的变大是间歇渐进的,阶段性地出现越来越大、越来越多的裂纹。这是由于整个刻划过程类似于金属刀具的微切削!, 实际上是复合金刚石探头与被测表面相互挤压而产生磨损,在每次产生较大裂纹之前会有一个塑性变形的积累(图 2 b, 2c中可明显看到塑性流动) ,当压力增大到一定值时, 被测表面发生较大的脆性断裂,磨损加剧。以上的研究结果表明:单晶 Si表面在微观的摩擦磨损过程中脆性断裂之前存在着明显的塑性变形, 从而为进一步用表面改性的方法提高 Si材料的摩擦学性能提供依据。参考文献: [ 1 ] 徐洮,薛群基,田军. 氮离子注入 SiO2 单晶磨损机理的 SEM研究[ J] . 摩擦学学报, 1999, 19( 2) : 289�293. [ 2 ] Xu Tao, Lu Jingjun, Xue Qunji. Effect of ion mixing by C+ implantation on friction and adhesion of amorphous carbon film on SiO2[ J] . Materials Science and Engineering A, 2000, 284: 51�55. 516 电子显微学报 � J. Chin. Electr. Microsc. Soc. � � � � 22( 6)∀516~ 517 � 2003年图 1 � 刻划实验的摩擦曲线。图 2� 摩擦轨迹的 SEM照片(其中 a, b, c为顺序排列摩擦轨迹从开始到剧烈磨损不同阶段的SEM 照片, Bar= 5�m, d 为摩擦轨迹上两裂纹之间的 SEM 照片, Bar= 10�m)。 517 电子显微学报 � J. Chin. Electr. Microsc. Soc. � � � � 22( 6)∀516~ 517 � 2003年

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