КАРТОГРАФИРОВАНИЕ НАПРЯЖЕНИЙ IN SITU ПРИ ИНДЕНТИРОВАНИИ КРЕМНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СПЕКТРОСКОПИИ КОМБИНАЦИОННОГО РАССЕЯНИЯ
Аннотация
Благодаря особенностям прозрачного алмазного индентора-объектива стало возможным исследование in situ областей упругих деформаций материалов под наконечником как в контакте, так и вне области контакта без использования специальных иммерсионных жидкостей. В связи с этим появилась возможность эффективного точечного сканирования данных областей до 1 мкм с использованием спектроскопии комбинационного рассеяния. В данной работе по сдвигам мод комбинационного рассеяния (LO мод) благодаря концепции тензора фононных мод Грюнайзена в деформированном кремнии были точечно рассчитаны относительные изменения объемов и соответствующие им давления, являющиеся средним значением всех трех составляющих нормальных напряжений. Тем самым был показан переход от картографирования оптических свойств к определению механических свойств исследуемого материала с пространственной привязкой получаемых данных с микронной точностью. Обсуждается возможность изучения типа деформаций в кристаллах (растяжение или сжатие) во время индентирования с применением спектроскопии комбинационного рассеяния в геометрии обратного рассеяния. Также обсуждается возможность определения направления деформаций с применением поляризационных методов, использование которых позволит измерить продольные TO моды. В данной работе исследовался образец кремниевого чипа с ориентацией (100). Индентирование проводилось при нагрузках 250 и 1500 мН. По полученным данным для нагрузки в 250 мН для одного из секторов под индентором была построена карта распределения давлений с шагом 1 мкм области упругой деформации вне отпечатка. По характеру изменения спектров комбинационного рассеяния были сделаны выводы об однородности и неоднородности деформаций в измеренных точках. Картографирование напряжений деформированной области по предложенной методике эффективно на малых нагрузках.
Для цитирования:
Вотяков С.А., Кудряшов И.А., Будич К., Кириченко А.Н., Усеинов А.С., Султанова Г.Х. Картографирование напряжений in situ при индентировании кремния с использованием спектроскопии комбинационного рассеяния. Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2024. Т. 67. Вып. 10. С. 22-28. DOI: 10.6060/ivkkt.20246710.10y.
Литература
Maslenikov I.I., Reshetov V.N., Useinov A.S., Doronin M.A. In situ surface imaging through a transparent diamond tip. Instrum. Exp. Tech. 2018. V. 61. N 5. P. 719–724. DOI: 10.1134/S002044121804022X.
Maslenikov I.I., Reshetov V.N., Useinov A.S. Raman spectroscopy through the indenter working as an optical objective. Mater. Trans. 2019. V. 60. N 8. P. 1433–1435. DOI: 10.2320/matertrans.MD201902.
Maslenikov I., Useinov A. Combined optomechanical measurements with the transparent indenter’s tip. IOP Conf. Ser. Mater. Sci. Eng. 2020. V. 758. N 1. P. 12056. DOI: 10.1088/1757-899X/758/1/012056.
Maslenikov I.I., Useinov A.S. In situ Raman mapping during indentation. IOP Conf. Ser. Mater. Sci. Eng. 2019. V. 699. N 1. DOI: 10.1088/1757-899X/699/1/012027.
Reshetov V.N., Useinov A.S., Sultanova G.Kh., Kudryashov I.A., Budich K. Application of an indenter-objective for optical spectroscopy of the structure and properties of materials. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn.Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2021. V. 64. N 12. P. 34–40 (in Russian). DOI: 10.6060/ivkkt.20216412.2y.
Useinov A., Reshetov V., Gusev A., Gladkih E. Optical spectroscopy combined in situ with instrumented indentation. J. Appl. Phys. 2022. V. 132. N 12. P. 121101. DOI: 10.1063/5.0099166.
Liu M., Lin J.Y., Lu C., Tieu K.A., Zhou K., Koseki T. Progress in indentation study of materials via both experi-mental and numerical methods. Crystals. 2017. V. 7. N 10. DOI: 10.3390/cryst7100258.
Angel R.J., Murri M., Mihailova B., Alvaro M. Stress, strain and Raman shifts. Zeitschrift für Krist. - Cryst. Mater. 2018. V. 234. N 2. P. 129-140. DOI: 10.1515/zkri-2018-2112.
Tuschel D. Stress, strain, and Raman spectroscopy. Spectroscopy. 2019. V. 34. N 9. P. 10–21.
Khanolkar A., Wang Y., Dennett C.A., Hua Z., Mann J.M., Khafizov M., Hurley D.H. Temperature-dependent elastic constants of thorium dioxide probed using time-domain Brillouin scattering. J. Appl. Phys. 2023. V. 133. N 19. P. 195101. DOI: 10.1063/5.0148866.
Nance J., Subhash G., Sankar B., Haftka R., Kim N.H., Deck C., Oswald S. Measurement of residual stress in silicon carbide fibers of tubular composites using Raman spectroscopy. Acta Mater. 2021. V. 217. P. 117164. DOI: 10.1016/j.actamat.2021.117164.
Guo H.J., Ling C., Busso E.P., Zhong Z., Li D.F. Crystal plasticity based investigation of micro-void evolution under multi-axial loading conditions. Int. J. Plast. 2020. V. 129. P. 102673. DOI: 10.1016/j.ijplas.2020.102673.
Broitman E. Indentation hardness measurements at macro-, micro-, and nanoscale: Acritical overview. Tribol. Lett. 2017. V. 65. N 1. DOI: 10.1007/s11249-016-0805-5.
Larsson P.L., Olsson E. Plastic zone size at sharp indenta-tion contact of classical elastic-plastic materials: Behavior at linear strain hardening. J. Test. Eval. 2017. V. 45. N 5. DOI: 10.1520/JTE20160140.
Gladkikh E.V., Kravchuk K.S., Useinov A.S., Nikitin A.A., Rogozhkin S.V. Comparison of hardening effects of Eurofer97 and ODS Eurofer steels under ion irradiation. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn.Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2020. V. 63. N 12. P. 57–62 (in Russian). DOI: 10.6060/ivkkt.20206312.2y.
Zhang X., Sun S., Xu T., Zhang T. Temperature depend-ent Grüneisen parameter. Sci. China Technol. Sci. 2019. V. 62. N 9. P. 1565–1576. DOI: 10.1007/s11431-019-9526-3.
Seehaus M., Lee S.H., Stollenwerk T., Wheeler J.M., Korte-Kerzel S. Estimation of directional single crystal elastic properties from nano-indentation by correlation with EBSD and firstprinciple calculations. Mater. Des. 2023. V. 234. P. 112296. DOI: 10.1016/j.matdes.2023.112296.
Kumar R., Tanwar M. Effect of some physical perturbations and their interplay on Raman spectral line shapes in silicon: A brief review. J. Raman Spectrosc. 2021. V. 52. N 12. P. 2100–2118. DOI: 10.1002/jrs.6272.
Roisin N., Colla M.S., Raskin J.P., Flandre D. Raman strain–shift measurements and prediction from first-principles in highly strained silicon. J. Mater. Sci. Mater. Electron. 2023. V. 34. N 5. P. 373. DOI: 10.1007/s10854-022-09769-3.
Wu B.R. Vibrational properties of Si and Ge under high pressures. Chinese J. Phys. 2006. V. 44. P. 454–466.
Mayer A.P., Wehner R.K. Calculation of Grüneisen constants in Si. Phys. Status Solidi. 1984. V. 126. N 1. P. 91–103. DOI: 10.1002/pssb.2221260112.
