薄膜表面應力的產生和應用

李建忠， 于 海

（沈陽新松機器人自動化股份有限公司，遼寧 沈陽 110168）

引言

人們研究表面科學已經有上百年的歷史，學術界對表面應力的定義為：由拉伸或者彎曲引起材料表面面積的變化，同時消耗能量，材料產生此種單位面積變化所消耗的能量稱為表面應力。薄膜表面應力的產生與表面自由能有一定的區別和聯系，本文主要介紹薄膜表面應力的產生和應用情況。

1 表面應力的產生

通過對表面應力研究的不斷深入，發現由微觀特性推知宏觀性質卻面臨著很大的困難，這促使人們不得不同時沿著宏觀和微觀這兩條路徑來研究表面的獨特性質。

從宏觀角度看，是由于外加負載帶來的表面受力變化。近年來，應力和應變對材料表面性質的影響越來越受到重視，國內對這方面的研究也是如火如荼的進行著，無論是在理論研究、參數計算，還是實驗方面都取得了不菲的成績。

從微觀角度看，表面應力存在的物理原因是原子間長程的作用和表面幾何結構的變化，不同的表面結構會形成完全不同的表面應力。因此，表面應力也可以看作是一層覆蓋在固體表面的一塊已經被壓縮或被拉伸的薄膜，能夠施加側向的力。在固體表面薄膜沉積后薄膜或多或少表現為彎曲現象，這時表面應力表現為拉應力或壓應力，如圖1所示，可以認為鍍膜的應力是產生薄膜內力矩的力［1］。

圖1 薄膜的拉應力和壓應力

一般來說，在應力大到超過薄膜的彈性極限時，會產生脫落或破裂，所以，要盡量控制其大小。從實際角度考慮，避免外力的影響，表面應力主要包括兩部分：

式中：σin是薄膜的本征應力，與薄膜的結構和成膜方式有關，實際生產中本征應力對應力的大小起到較大的作用；σth被稱作熱應力，主要是由于薄膜與固體基材的線性膨脹系數不同而造成的，在薄膜沉積時伴隨環境溫度而產生［2］。沉積溫度的變化對薄膜應力的影響如圖2所示。

圖2 本征應力和熱應力對表面應力的影響

圖2中縱坐標σ代表表面應力的大小，橫坐標T代表薄膜沉積環境的溫度。從圖2中可以看出，隨著成膜溫度的升高，總會找到表面應力較小的溫度范圍，這說明成膜溫度的變化對薄膜應力產生的大小有一定的影響。

同時，固體表面的應力還會導致固體中的應變，這些應變一旦達到可以用于實驗測量的大小，就可以用來計算相應的彈性能變化，我們稱為相對表面應力大小，但這只是針對絕對表面應力的大小，而表面應力的測量就要涉及晶格收縮對顆粒大小的依賴性。這些晶格可以被看作網絡，當被填滿時，表面應力表現為最大［3］。

另外，在表面熱力學中，有一個概念叫表面自由能。對于特定的材料，在一定的物理化學條件下它是一個常數，定義為生成單位面積表面所需要的能量，這個定義原來被認為是相當精確的［4］，然而，如果考慮材料的彈性變形（如拉伸或者彎曲過程）問題就變得比較復雜了，因為拉伸或者彎曲也會引起材料表面面積的變化，同時也消耗能量，這就與表面應力的定義產生了混淆，表面應力是否為表面自由能？如果是，它是否與材料變形無關？如果不是，那么它和表面自由能之間是否有關聯？

對于此問題，Muller和Saul給出的解答是：表面應力不同于表面自由能，雖然兩者的定義相同，都表示材料產生單位表面面積變化所需要的能量，但是，有兩點區別：首先，發生這種物理過程的前提不同，前者為等表面原子數，而后者是等應變；其次，前者表現為純變形，后者表現為表面的創造［5］。

既然這樣，可以認為表面自由能是用來衡量將原子移到表面克服的能量差的量，表面原子的潛能高于體原子，原因是表面原子比體原子有較少的鄰居，互相作用力小。所以表面自由能是一個表示生成單位表面積引起的系統自由能改變量的標量。因此，與表面應力有一定區別，同時，它是伴隨著薄膜表面應力的存在而存在的。

2 表面應力的應用

伴隨著表面應力變化的體應變顯著地依賴于表面積同體積的比值，如薄膜、碳納米管件等構件，電勢導致的表面應力變化遠大于輸入電能，因而更加適合作為電機制動器。這些基于表面應力的制動器的優點是可以在低工作電壓下有非常高的工作密度。

通過測量表面應力的改變量計算出薄膜應力差時薄膜在彎曲的應力下變形，當表面應力較小，而薄膜較厚時，變形后的形狀呈球面；反之就會分叉，這對制備薄膜、控制薄膜形狀是非常有用的。

另外，表面應力對于吸附原子有著重要的影響，主要表現在兩方面：首先，吸附原子和基底表面原子的結合將導致基底表面原子之間化學鍵的強度減弱和平衡鍵增加，從而導致表面壓應力的增加；其次，吸附原子的相互作用也導致表面應力的變化，吸引作用導致表面產生拉應力，排斥作用導致表面產生壓應力。吸附原子和基底表面原子的結合引起表面應力的大小與吸附原子的密度呈線性關系，而吸附原子的相互作用引起表面應力與吸附原子的密度呈非單調的依賴關系。基于此特性，我們在鍍膜時，可以通過控制轟擊靶材的原子數量來保證薄膜質量。

由于表面應力的過大，也會帶來負面效應，比如在薄膜制備時，由于薄膜非常薄，所以能夠承受的表面應力是極度小的；其實薄膜的表面應力就是對其拉伸或彎曲時因改變薄膜表面的面積而產生的能量，而這種能量超過了薄膜能承受的范圍，引起膜層裂開；另外，不易變形的工件上的薄膜不易拉伸彎曲，但不代表沒有，其表面鍍制的是一層很薄的膜層，所能承受的力很小。所以降低薄膜的表面應力是防止膜層裂開的一種有效的方法。

3 結語

從微觀角度對薄膜表面應力的產生原因進行了分析，雖然產生的原因比較復雜，但是利用表面應力來解決實際問題卻普遍存在，借用實際效應來開發出的很多薄膜制備技術在生活和生產中被廣泛的應用。

［1］ 張以忱.真空鍍膜技術［M］.北京：冶金工業出版社，2009.

［2］ 戴達煌，周克崧，袁鎮海.現代材料表面技術科學［M］.北京：冶金工業出版社，2004.

［3］ 閆琨，何陵輝，劉人懷.表面應力引起的彈性薄膜形狀分叉［J］.應用數學和力學，2003，9（10）：1 012－1 014.

［4］ 程開甲，程漱玉.薄膜內應力的分析和計算［J］.自然科學進展，1998（1）：20－22.

［5］ 孫澤輝，吳恒安，王秀喜.吸附誘導表面應力的分子運動學模型［J］.中國科學技術大學學報，2007（10）：1 210－1 212.