A new methodology for ultrathin gold films tensile testing by floating specimen on water is presented. This method is capable of investigating intrinsic material properties of thin films floating on the water surface due to negligible adhesion of metal thin films with water surface which makes water surface very suitable to be used as underlying substrate for thin film tensile test. E beam evaporated gold has been tested as a model material due to its inert nature and increasing demand in electronic devices, however other metal thin films can also be investigated with this method. This method consists of first fabricating gold thin films floating on water surface and then attaching PDMS coated aluminium grips with the thin film specimen and applying tensile load through movement of linear DC motor. Accurate real time strain monitoring is ensured by digital image correlation (DIC) device.
A unique and simple specimen gripping technique has been introduced which utilizes metal to PDMS attraction as gripping force and does not require any gluing, external electrostatic force applying system or mechanical bolting. A new technique for gold thin film fabrication and transfer on liquid surface in floating condition is also presented. Interaction between gold thin film and water surface has been investigated on the basis of flat plate boundary layer concept and surface tension theory and it has been shown that the effect of water interaction with gold thin films on tensile test measurement is negligible.
The validation of this proposed tensile test method has been done by first testing 500nm gold films at a constant strain rate and then comparing the results with literature reviewed. Results were similar to reported in literature. Average value of Young’s modulus obtained was 65 GPa, yield strength 338 MPa, tensile strength 378 MPa and fracture strain 0.89%. After validating this methodology, 50nm thin gold films were tested to study specimen thickness effects on mechanical behavior. The 50nm thin films showed slightly lower elastic modulus and increased tensile strength but interestingly the difference of tensile strength between 500nm and 50nm thin films was not very high as reported in literature. This is attributed to decrease in grain size to an extent where Hall Petch effect starts reversing.
본 연구에서는 매우 얇은 금 박막을 물 위에 띄워서 인장 실험을 하는 새로운 방법을 개발하였다. 금속 박막과 물 표면 사이의 접착력이 상대적으로 매우 작아 무시할 수 있기 때문에 인장 실험 시 물을 박막의 substrate로 사용할 수 있으며 이 방법을 통해 박막의 물성치를 얻어낼 수 있다. 금의 비활성 특성과 전자 부품을 위한 수요 증가를 고려해서 E beam 방법을 통해 증착된 금 박막을 실험에 사용하였으며 이 실험 방법은 다른 금속 박막도 적용이 가능하다. 이 방법은 금 박막을 물위에 띄운 후 PDMS로 코팅된 알루미늄 그립을 통해 박막을 고정한 후 DC 모터를 이용하여 인장을 가하는 순서로 이루어 진다. 이때 실시간으로 strain을 측정하기 위해서digital image correlation (DIC) 장치가 사용되었다.
금속과 PDMS 사이의 인력을 통해 고정시키는 독창적이고 간단한 방법이 소개되었는데, 이 방법은 접착제, 외부 정전기력 시스템, 또는 기계적인 결합을 필요로 하지 않는다. 매우 얇은 금 박막을 만드는 방법과 그리고 이를 액체의 표면에 띄우는 방법도 소개되어 있다. Plate boundary layer 개념과 표면 장력 이론을 기반으로 금 박막과 물 표면 사이의 상호작용을 조사하였으며 박막과 물 사이의 상호작용에 의한 영향이 인장 실험 측정에 있어서는 무시할 수 있을 정도임을 나타내었다.
제안된 인장 실험 방법의 유효성을 보이기 위해 일정한 변형률 속도에서 우선적으로 500nm 골드 박막을 실험해 보았으며 기존의 결과 값들과 비교해 보았다. 결과는 기존의 값들과 비슷하게 나타났다. 얻어진 탄성계수의 평균값은 65 GPa 이었으며 항복강도 338 MPa, 인장강도 378 MPa 그리고 파손 변형률은 0.89%로 나타났다. 이 실험방법의 유효성을 확인한 후 시편의 두께에 따른 기계적 거동의 영향을 확인해보기 위하여 50nm의 얇은 골드 박막을 이용해 실험해 보았다. 50nm 박막의 경우 탄성계수 값이 다소 낮았으며 인장 응력은 증가하였다. 하지만 500nm 와 50nm 박막에서의 인장응력은 기존에 연구된 값들과는 달리 큰 차이가 나지 않았다. 이는 결정립의 크기가 Hall Petch 효과가 반대로 되는 사이즈까지 줄어들었기 때문이라 생각할 수 있을 것이다.
