Mechanische Spannungen und Mikrostruktur dünner TiNi- und Ti50Ni50-xCux-Formgedächtnisschichten

Abstract

Die vorliegende Arbeit beschreibt das Herstellungsverfahren von dünnen Schichten der Formgedächtnislegierungssysteme TiNi und Ti50Ni50-xCux durch Kokondensation mittels Elektronenstrahlverdampfens im Ultrahochvakuum (UHV) und deren Charakterisierung. Die beim Wachstum der dünnen Schichten und bei der martensitischen Phasenumwandlung auftretenden Schichtspannungen werden mithilfe einer Zwei-Strahl-Lichtzeiger-Messapparatur in situ gemessen. Zusätzlich werden die Schichten mittels Röntgendiffraktometrie, Rastertunnelmikroskopie, Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) und energie-dispersiver Röntgenanalyse (EDX) mikrostrukturell untersucht. Die bei Substrattemperaturen unterhalb von 300°C amorph aufwachsenden dünnen Schichten zeichnen sich durch intrinsische mechanische Wachstumsspannungen und eine deutliche Oberflächenstrukturbildung in Abhängigkeit der Schichtdicke aus. Durch eine definierte Temperaturbehandlung im UHV entstehen durch Kristallisation der amorphen Ausgangsschichten sowohl TiNi- als auch Ti50Ni50-xCux-Formgedächtnisschichten mit Schichtdicken zwischen 75 nm und 300 nm. Im Mittelpunkt dieser Arbeit stehen die Untersuchungen zum Einfluss der intrinsischen mechanischen Wachstumsspannungen und der Mikrostruktur der Ausgangsschichten, sowie der Einfluss der Cu-Substitution auf die martensitische Phasenumwandlung, um eine weitere Reduzierung der Dicke von Formgedächtnisschichten zu erreichen. Die Temperaturabhängigkeit der martensitischen Phasenumwandlung ist für alle untersuchten Formgedächtnisschichten mit der von Kompaktmaterialien vergleichbar. Die Hysteresbreite der Ti50Ni50-xCux-Formgedächtnisschichten ist mit maximal 5°C wesentlich geringer. Formgedächtnisschichten mit Dicken unterhalb von 75 nm können aufgrund der im TEM und EDX beobachteten diffusionsgesteuerten Phasenseparation nicht realisiert werden. Es wird ein Mechanismus der auftretenden Phasenseparation vorgeschlagen und es werden Möglichkeiten zur Verhinderung der Phasenseparation und damit zur weiteren Reduzierung der Schichtdicke von Ti50Ni50-xCux-Formgedächtnisschichten aufgezeigt.