Active control of fracture and strength for oxide materials using electron beam induced quantum dot array

使用电子束诱导量子点阵列主动控制氧化物材料的断裂和强度

• 批准号: 22H01819
• 负责人: 生津 資大
• 金额: $ 11.15万
• 依托单位: Kyoto University of Advanced Science
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• 财政年份: 2022
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2022-04-01 至 2025-03-31
• 项目状态: 未结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-22H01819/
• 关键词: 電子線照射; シリコンナノドット; Si酸化膜; 破壊; 強度; シリコン量子ドット; 破壊強度; 能動制御; MEMS; ナノドット

本研究では，酸化物脆性材料が持つ「強度不足とばらつき」問題に対し，電子線（Electron Beam: EB）照射で局所還元させて形成する量子ドット（Quantum Dot: QD）を巧みに配列させ，その周辺を応力集中源としてき裂進展経路を人為操作して高靭化する「材料強度アクティブ制御」技術を構築し，「高強度＋極微小ばらつき」を実現する新しい強度制御法を提案する．Si酸化膜をモデルケースとし，Si-QDの核形成～成長・結晶化に至るメカニズムを実験的／解析的に理解した上でSi-QD配列の破壊強度への効果をナノ力学実験で実証する．マクロスケールの破壊をもSi-QD配列で完全制御できることを確認し，高強度（平均強度50%UP）＋極小ばらつき（従来比1/10）の目標達成に挑む．この新しい「材料強度アクティブ制御」技術を確立して酸化物脆性材料の強度予測を容易にし，素材の性能・機能を最大限活かす「極小安全率」機械構造デザインを提供する材料／構造設計法を創出する．初年度となる2022年度，まず，Si-QDを形成できるEB照射条件の探索を行った．電子顕微鏡もEB照射システムを用いて加速電圧ならびにビーム電流を変化させ，Si熱酸化膜に照射した後，透過電子顕微鏡（TEM）やラマン分光装置などでSi-QDの評価を行った．また，Si-QDがSi酸化膜の強度に及ぼす影響を調べるため，ナノスケール引張試験とマイクロスケール曲げ試験の準備を行った．ここでは，試験片の作製方法と試験技術の双方を確立した．

在这项研究中，我们将通过巧妙地排列电子束（EB）照射局部还原形成的量子点（QD）来解决氧化物脆性材料所存在的“强度不足和变化”的问题，我们将开发“材料强度活性”。 “控制”技术，通过利用周围区域作为应力集中源，人为地操纵裂纹扩展路径来增加韧性，并提出了一种新的强度控制方法，实现了“高强度+极小的离散度”。以Si氧化膜为模型案例，我们将通过实验和分析了解Si-QD从成核到生长和结晶的机制，然后通过纳米力学实验证明Si-QD阵列对断裂强度的影响．我们确认使用Si-QD阵列可以完全控制宏观断裂，并致力于实现高强度（平均强度提高50%）和极小分散（与传统产品相比1/10）的目标。通过建立这种新的“材料强度主动控制”技术，我们开发了一种材料/结构设计方法，有利于氧化物脆性材料的强度预测，并提供“最小安全系数”机械结构设计，最大限度地发挥材料的性能和功能。创造。 2022 年，即第一年，我们首先寻找能够形成 Si-QD 的 EB 照射条件。电子显微镜还使用EB照射系统来改变加速电压和束流，照射Si热氧化膜后，使用透射电子显微镜(TEM)或拉曼光谱仪对Si-QD进行评估。此外，为了研究Si-QDs对Si氧化膜强度的影响，我们准备了纳米级拉伸试验和微米级弯曲试验。在这里，我们建立了试件制备方法和测试技术。

项目成果

Quasi-static Tensile Testing of Freestanding Metallic Film Glued onto a Micromachined Silicon Substrate

粘合到微机械硅基板上的独立式金属薄膜的准静态拉伸测试

• 发表时间: 2022
• 期刊: Journal of the Japanese Society for Experimental Mechanics
• 作者: Michiko Shindo;Daisuke Yasugi;Takahiro Namazu
• 通讯作者: Takahiro Namazu

京都先端科学大学ナノメカトロニクス研究室（生津研究室）

京都先科大学纳米机电一体化实验室（生津实验室）