Thermische Stabilität und Reaktion metallischer Multilagen

Abstract

In dieser Arbeit wurden nanoskalige Cu/Py (Py-Permalloy-Ni79Fe21) und Al/Cu Schichtsysteme, welche relevant in moderne elektronische Anwendungen sind, erfolgreich hinsichtlich ihrer thermischen Stabilität, der Frühstadien der Interreaktion und des Spannungseinflusses auf die Diffusion untersucht. Das Cu/Py Schichtsystem, welches den Riesen-Magneto-Widerstands (GMR) Effekt zeigt, wurde mikroskopisch in einem großen Temperaturbereich mit der Atomsonden Tomographie analysiert. Im Gegensatz zur gängigen Vermutung, dass eine Zerstörung der Lagenstruktur die Ursache für das Zusammenbrechen des GMR Effektes bei Temperaturen oberhalb von 250°C ist, zeigt die Nano-Analyse eine stabile Multilagen Geometrie bis zu 500°C. Der Zusammenbruch des GMR Effektes im Cu/Py System ist stattdessen auf eine entlang der Grenzfläche homogene, kurzreichweitige Interdiffusion auf einer Längenskala von ungefähr 1 nm zurückzuführen. Die Temperaturabhängigkeit der Durchmischung wird dabei sehr gut durch das Cahn-Hilliard Grenzflächengleichgewichtsmodell erklärt. Bei der Untersuchung der Frühstadien der Interreaktion an Al/Cu/Al sowie Cu/Al/Cu Schichtsystemen wurde die direkte Bildung einer Produktphase ohne vorherige Interdiffusion gefunden. Der Existenzbereich der Produktphase lag bei 7.5 at.% um die Al2Cu (θ) Phase. Bemerkenswerterweise wurde eine signifikante Asymmetrie der Reaktionsgeschwindigkeit in Abhängigkeit von der Stapelfolge der einzelnen Schichten beobachtet. Die Dicke der Reaktionsprodukte an den beiden Grenzflächen zeigt jeweils ein parabolisches Wachstumsverhalten, jedoch mit unterschiedlicher Rate. Die Asymmetrie in der Reaktionsrate kann durch die starke Krümmung der verwendeten Wolframsubstrate, welche das Auftreten lokal stark variierender mechanischer Spannungen während der Festkörperreaktion zur Folge hat, erklärt werden. Als alternativer Erklärungsansatz wird der Einfluss der Laplace Spannung auf die Reaktionsrate diskutiert.