藍寶石鍍MgF2 減反射膜在微米劃擦過程中的失效與變形分析

靳磊，梁夢媛，凌真，鮑賢勇*

（飛亞達精密科技股份有限公司，廣東 深圳 518057）

光在界面會發(fā)生反射，這對于鏡子是有益的，但對于望遠鏡、透鏡和眼鏡而言是一種光的損耗[1]。通過在物體外表面制備特定的涂層可以減少光的反射，這種涂層被稱為減反射膜[2]。常用的減反射膜材料有SiO2、TiO2、氟化物等[3-5]。MgF2減反射膜具有折射率低、光學(xué)損耗低、透明波段寬、結(jié)合強度高等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于光學(xué)器件[6]。目前關(guān)于減反射膜的性能研究主要集中在光學(xué)性能方面，對力學(xué)性能的研究較少，這對于減反射膜在實際產(chǎn)品中的質(zhì)量控制是不利的。如鍍減反射膜的手表玻璃在使用過程中可能會受到尖銳物體的劃擦，通過分析減反射膜在劃擦過程中的變形和失效情況，有針對地提升薄膜性能就顯得十分必要。

劃痕試驗是評估薄膜力學(xué)性能的有效方法，可以根據(jù)劃擦過程中的聲發(fā)射信號、摩擦力、摩擦因數(shù)和壓入深度的變化以及劃痕形貌來半定量檢測膜層間結(jié)合力和分析鍍膜失效形式，該技術(shù)在類金剛石碳、TiN、TiC等硬質(zhì)薄膜上已有較多的應(yīng)用和研究，但很少用于研究減反射膜[7-8]。

本文通過微米劃痕試驗研究了藍寶石鍍MgF2減反射膜在劃擦過程中的失效形式，并分析了劃擦過程中的彈?塑性變形。

1 實驗

試驗樣品由新源藍寶石科技(深圳)有限公司提供，是在沿A 面切割藍寶石表面鍍MgF2減反射膜所得，膜厚約150 nm。

劃痕試驗在Anton Paar MST 微米劃痕儀上進行，壓頭為球形金剛石，直徑50 μm。測試參數(shù)為：初始加載力10 mN，終止加載力3 N，加載速率5 980 mN/min，劃痕長度3 mm。在劃痕過程中，由儀器采集壓頭的垂直位移(P)、聲發(fā)射(AE)等數(shù)據(jù)，并由劃痕儀自帶的傳感器掃描得到卸載后壓頭的垂直位移(R)。試驗完畢，采用劃痕儀自帶的光學(xué)顯微鏡(OM)和Hitachi S3700 M 型掃描電鏡(SEM)觀察劃痕形貌，用Bruker Quantax 400 型能譜儀(EDS)對劃痕進行線掃描，以分析膜層狀態(tài)。

2 結(jié)果與討論

2.1 劃痕形貌與膜層結(jié)合力分析

圖1為樣品在劃痕過程中聲發(fā)射和加載力(Fn)隨水平位移(D)的變化曲線。從中可知，聲發(fā)射分別在位移D1= 1 360 μm 和D2= 2 490 μm 處發(fā)生突變，對應(yīng)的加載力Fn1和Fn2分別為1.36 N 和2.49 N。這表明壓頭在劃擦至這兩個位置時樣品的形態(tài)可能發(fā)生變化。

圖1 聲發(fā)射和加載力隨位移的變化Figure 1 Variation of acoustic emission and load with scratch displacement

從圖2a 可知，在劃痕試驗的初始階段，樣品表面的劃痕并不明顯，但在后期出現(xiàn)了明顯的劃擦痕跡。根據(jù)劃痕的形態(tài)可以將整段劃痕分為Z1、Z2 和Z3 共3 個區(qū)域。放大觀察水平位移1 360 μm 和2 490 μm 附近的劃痕可知，Z1 區(qū)劃痕十分輕微，且較窄，劃痕邊緣較完整，未觀察到裂紋、脫落等失效形式；Z2 區(qū)劃痕變寬，邊緣出現(xiàn)非連續(xù)片狀疑似薄膜剝落物；隨著加載力的不斷加大，劃痕進一步變寬，到Z3 區(qū)時除了劃痕邊緣存在非連續(xù)片狀疑似薄膜剝落物外，劃痕中心也出現(xiàn)與水平方向呈120°左右的裂紋，這種裂紋與藍寶石A 面在壓痕試驗時的形態(tài)一致[9]。結(jié)合聲發(fā)射在此處發(fā)生的突變可知，這些裂紋是在劃擦過程中金剛石壓頭尖端應(yīng)力集中導(dǎo)致的藍寶石基體破裂。

圖2 劃痕的光學(xué)顯微圖像Figure 2 OM images of scratch

為進一步了解1 360 μm 附近的劃痕狀態(tài)，對Z1 區(qū)和Z2 區(qū)進行掃描電鏡觀察和能譜線掃描分析，結(jié)果如圖3 所示。從圖3a 可以看到，在掃描電鏡下也未觀察到Z1 區(qū)的劃痕邊緣有明顯的薄膜剝落痕跡。能譜線掃描是從非劃痕區(qū)開始掃至劃痕區(qū)，再經(jīng)過非劃痕區(qū)，結(jié)果顯示整個過程中Mg 和F 的含量都較平穩(wěn)，表明Z1區(qū)的劃痕區(qū)和非劃痕區(qū)的元素組成無明顯差異，即劃痕區(qū)的薄膜未出現(xiàn)剝離。從圖3b1 中可以明顯看到薄膜剝落殘留的坑點，這證實了圖2 中Z2 區(qū)的疑似剝落物為脫落的薄膜。在能譜線掃描至劃痕區(qū)時Mg 和F 的含量都顯著減小，如圖3b2 方框所示，表明除了劃痕邊緣有薄膜剝落外，劃痕內(nèi)部也有薄膜剝落。

圖3 Z1 區(qū)(a)和Z2 區(qū)(b)的掃描電鏡圖像和能譜線掃描結(jié)果Figure 3 SEM images and EDS line-scan results of area Z1 (a) and area Z2 (b)

綜上可知，圖1 中水平位移1 360 μm 處的聲發(fā)射突變是薄膜剝落產(chǎn)生的，對應(yīng)的載荷Fn1= 1.36 N 是膜層失效的臨界載荷Lc，薄膜的失效形式是劃痕邊緣和內(nèi)部出現(xiàn)剝落。

2.2 劃擦過程中薄膜與基體的變形分析

加載力超過臨界載荷后，部分薄膜會脫落并留在劃痕上，造成變形測量結(jié)果有誤。因此，僅研究水平位移在2 000 μm 以內(nèi)薄膜的變形。

圖4為劃擦過程中P、R和D的關(guān)系曲線。定義垂直位移以薄膜表面為基準(zhǔn)，劃擦過程中壓頭是下壓的，因此垂直位移為負值。在一定載荷的作用下，試樣的變形分為彈性變形和塑性變形兩種形式。因此，可以分別采用P、R的絕對值代表樣品的總變形量和塑性變形量，P與R之差即為彈性變形深度(De)，|De|可代表彈性變形量。P、De和R隨加載力的變化如圖5 所示，從中可計算得到彈性變形量和塑性變形量占總變形的比例隨載荷的變化，如圖6 所示。

根據(jù)圖4 中試樣的塑性變形量變化可將試樣的變形分為3 個階段。第Ⅰ階段，隨著壓頭壓入深度和劃痕長度的增大，試樣的塑性變形量整體呈增大趨勢，至1 360 μm 附近達到最大值，接近150 nm，該數(shù)值與薄膜的厚度基本相當(dāng)；第Ⅱ階段，在1 360 μm 附近塑性變形量的絕對值突然減小，對應(yīng)薄膜的臨界載荷，意味著薄膜發(fā)生破裂；第Ⅲ階段，殘余變形量的絕對值小于薄膜厚度，但基本維持在50 ~ 100 nm 之間，這是部分破裂的薄膜粘附在壓頭上所致。

雖然從圖5 已經(jīng)能夠看出樣品的變形以彈性變形為主，塑性變形基本可以忽略，但通過圖6 能夠更清晰地觀察到不同階段中塑性變形和彈性變形對綜合變形的貢獻。在劃痕試驗的初始階段，塑性變形的占比較大，彈性變形的占比較小，說明薄膜在較小的加載力下就已發(fā)生塑性變形。隨著加載力的增大，塑性變形的占比急劇減小，彈性變形的占比急劇增大，這一趨勢在加載力達到0.15 N 時才減緩(如圖6 中L1箭頭所示)，結(jié)合圖1 可知此時對應(yīng)的壓頭水平位移為150 μm。結(jié)合圖4 可知，在此過程中，樣品的彈性變形量仍在持續(xù)增大，由于薄膜已發(fā)生塑性變形，因而增大的彈性變形占比是由基體貢獻的。加載力增大到0.15 N(對應(yīng)的壓入深度約為150 nm)后，盡管壓頭的壓入深度已經(jīng)遠超薄膜厚度，但薄膜仍未發(fā)生破裂，意味著薄膜處于塑性變形狀態(tài)，基體則保持彈性變形，直至臨界載荷時薄膜發(fā)生破裂，塑性變形消失。

圖4 加載時和卸載后壓頭的垂直位移與水平位移的關(guān)系Figure 4 Relationship between vertical and transverse displacements of indenter during loading process and after unloading

圖5 各變形量隨加載力的變化Figure 5 Variation of different types of deformation degree with loading force

圖6 彈性變形和塑性變形的占比隨加載力的變化Figure 6 Variation of the proportions of elastic deformation and plastic deformation with loading force

綜合上述分析可知，藍寶石鍍MgF2減反射膜在低加載力作用下就會發(fā)生塑性變形，并且在達到臨界載荷前持續(xù)發(fā)生塑性變形，隨著加載力的增大，基體的彈性變形占比逐漸增大。壓頭壓入深度超過薄膜厚度后薄膜仍未破裂，說明MgF2減反射膜的塑性變形能力良好，與基體間的結(jié)合強度高，以及與基體的協(xié)同變形能力好。當(dāng)MgF2減反射膜的塑性變形量接近膜厚時發(fā)生破裂，說明提高薄膜的塑性變形量可以提高其臨界載荷。

3 結(jié)論

(1) 在微米劃擦過程中，藍寶石鍍MgF2減反射膜失效時出現(xiàn)明顯的聲發(fā)射信號，臨界載荷Lc為1.36 N，薄膜的失效形式為在劃痕邊緣和內(nèi)部都出現(xiàn)剝落。

(2) 在劃擦的初期，MgF2薄膜由彈性變形快速轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄宰冃危⒃诘竭_臨界載荷前一直保持塑性變形，而基體的彈性變形逐漸增大。壓頭壓入深度超過薄膜厚度后，薄膜仍未破裂，展現(xiàn)出較強的薄膜塑性變形和基體彈性變形能力。當(dāng)薄膜的塑性變形量接近薄膜厚度時，薄膜破裂。

(3) 提高薄膜的塑性變形量能夠提高藍寶石鍍MgF2減反射膜的臨界載荷。