Mechanische Eigenschaften kristallin-amorpher Schichtpakete
Mechanical properties of crystalline-amorphous multilayers
Inga Knorr
Doctoral thesis
Date of Examination:
2012-12-13
Date of issue:
2013-01-11
Advisor:
Volkert, Cynthia Prof.
Referee:
Volkert, Cynthia Prof. Dr.
Referee:
Samwer, Konrad Prof. Dr.
Referee:
Bitzek, Erik Prof. Dr.
Persistent Address: http://hdl.handle.net/11858/00-1735-0000-000D-F099-6
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knorr.pdf
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47,3 MB
Format:
PDF
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Abstract
English
Micromechanical characterization by Berkovich nanoindentation and uniaxial microcompression tests has been performed on multilayered films consisting of three different material combinations - Ti/ZrO2, Cu/PdSi und Cu/PC – with individual layer thicknesses ranging from 10 nm to 120 nm. Elastic moduli, strengths and deformation morphologies have been compared for all samples to identify trends with layer thicknesses and volume fractions. The comparison of samples with systematically varying individual layer thicknesses and different component materials offers the possibility to describe general characteristics of the mechanical behavior of crystalline-amorphous multilayers. Most samples show homogeneous codeformation within the layers and high ductility to plastic strains of > 80% without delamination at the interfaces, which is attributed to load sharing between the amorphous and polycrystalline layers and the inhibition of strain localization within the layers. Composite ductility is limited by folding and rotation of layers to form interlayer shear bands, where shear stresses are present parallel to the interfaces. The multilayer films show high flow stresses, from which the size-dependent strength of the crystalline metal layers can be inferred, which is also relatively high in comparison to literature data. The high strength is attributed to extraordinarily high strain hardening in the polycrystalline metal layers through the inhibition of dislocation annihilation or transmission at the strong crystalline/amorphous interfaces.
Keywords: mechanical properties; thin films; multilayers; nanocomposite; strength; ductility; deformation mechanisms; nanoindentation; microcompression
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Diese Arbeit bietet eine weitreichende Charakterisierung der Schichtsysteme Ti/ZrO2, Cu/PdSi und Cu/PC mit Einzelschichtdicken von 10nm – 120nm im Hinblick auf deren mechanische Eigenschaften mit Hilfe von Nanoindentierung, Mikrodruckversuchen sowie elektronenmikroskopischer Untersuchungen. Elastizitätsmoduln, Fließspannungen und Härte werden für alle Proben verglichen, um Trends mit den Schichtdicken und Volumenanteilen der Komponenten zu identifizieren. Weiterhin wird eine im Rahmen dieser Arbeit entwickelte neue Testmethode, die Mikrodruckversuche an 45°-Säulen Zur Untersuchung der Scherfestigkeit der Grenzflächen, vorgestellt. Durch die verschiedenen Eigenschaften der Komponenten gekoppelt mit der systematischen Variation ihrer Einzelschichtdicken sowie der Anwendung verschiedener mikromechanischer Testmethoden können erstmals allgemeingültige Aussagen über das Verformungsverhalten kristallin-amorpher Schichtpakete formuliert werden.
Die meisten Schichtpakete zeigen Duktilität und Kodeformation der Komponenten bis zu plastischen Dehnungen von > 80%, was auf scherfeste Grenzflächen, dadurch ermöglichte Kraftübertragung zwischen benachbarten Schichten und Unterdrückung von Dehnungslokalisation innerhalb der Einzelschichten zurückgeführt werden kann. Die hohe Duktilität der Komposite wird durch die Faltung und Rotation der Schichten in sogenannten interlayer-Scherbändern begrenzt, die insbesondere bei komplexen Spannungszuständen mit Spannungskomponenten in Schichtebene auftreten.
Aus den Fließspannungen der Komposite kann mithilfe eines in dieser Arbeit entwickelten Modells die größenabhängige Festigkeit der polykristallinen Metallschichten bestimmt werden, die im Vergleich mit Literaturdaten verhältnismäßig groß sind. Dies kann auf einen Einfluss der Beschränkung durch Grenzflächen zurückgeführt werden. Insbesondere die außergewöhnlich starken kristallin-amorphen Grenzflächen der Proben dieser Arbeit können Versetzungen effektiv blockieren und damit die Ausbildung einer hohen Versetzungsdichte innerhalb der kristallinen Schichten verursachen.
Schlagwörter: Mechanische Eigenschaften; dünne Schichten; Schichtpakete; Nanokomposit; Festigkeit; Duktilität; Verformungsmechanismen; Nanoindentierung; Mikrodruckversuche
