Mechanische Eigenschaften kristallin-amorpher Schichtpakete

Abstract

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.