Mikrostrukturänderungen durch hohe elektrische Stromdichten in Eisen-Kohlenstoff Dünnschichten

Brede, Thomas

dc.contributor.advisor	Kirchheim, Reiner Prof. Dr.
dc.contributor.author	Brede, Thomas
dc.date.accessioned	2021-08-11T14:28:09Z
dc.date.available	2021-08-17T00:50:07Z
dc.date.issued	2021-08-11
dc.identifier.uri	http://hdl.handle.net/21.11130/00-1735-0000-0008-58DB-F
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.53846/goediss-8780
dc.language.iso	deu	de
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/
dc.subject.ddc	530	de
dc.title	Mikrostrukturänderungen durch hohe elektrische Stromdichten in Eisen-Kohlenstoff Dünnschichten	de
dc.type	doctoralThesis	de
dc.title.translated	Microstructural changes in iron-carbon thin films due to high electric current densities	de
dc.contributor.referee	Volkert, Cynthia A. Prof. Dr.
dc.date.examination	2021-07-12
dc.subject.gok	Physik (PPN621336750)	de
dc.description.abstractger	Die Bearbeitung von Werkstücken mit hohen elektrischen und magnetischen Feldern stellt einen in den letzten Jahren zunehmend wachsenden Forschungsbereich in den Materialwissenschaften dar. Dennoch ist die Wechselwirkung der Felder und Ströme mit den Materialien komplex und noch nicht vollständig verstanden. Mit diesem Hintergrund wurde in dieser Arbeit der Einfluss hoher elektrischer Gleichstromdichten auf Eisen-Kohlenstoff-Dünnschichten untersucht. Der Fokus lag dabei auf Veränderungen der Mikrostruktur. Die Dünnschichten wurden per Argon-Atomstrahlsputtern in einer Kaufmannquelle hergestellt. Als Substrat diente ein Silizium-Einkristall mit amorpher Siliziumnitrid-Oberfläche. Die Eisen-Kohlenstoff-Schicht wurde durch Elektronenstrahl-Lithographie in Leiterbahnen geformt. Intensive Charakterisierungen vor und nach den Experimenten mit elektrischem Strom wurden mit Röntgenbeugung, Rasterelektronemikroskopie (REM) und Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) durchgeführt. Die Bewegung von Kohlenstoff wurde qualitativ mittels energiedispersiver Röntgenspektroskopie (EDX), die Veränderung von Phasen und kristallographischen Orientierungen per Elektronen-Rückstreubeugung (EBSD) im REM beobachtet. Die Proben wurden mit elektrischen Stromdichten von bis zu 4 MA/cm² und bei Temperaturen bis 650°C in einem selbstgebauten Aufbau behandelt, ohne dass es zur Zerstörung der Leiterbahnen kam. Dies führte zur Elektromigration der Kohlenstoffatome und einer dadurch verursachten Ausbildung von langgestreckten Strukturen mit Aspektverhältnissen von bis zu 7. Die umgebende Mikrostruktur blieb dabei unverändert in ihrem nanokristallinen Ausgangszustand. Mit Hilfe dieser Beobachtungen konnte eine bisher rein theoretische Modellüberlegung experimentell bestätigt werden, nach der es zur elektromigrationsinduzierten Anreicherung der bewegten Spezies, im hier diskutierten Fall dem Kohlenstoff, vor einer Ausscheidung kommt. Durch diese Anreicherung und den Abtransport auf der entgegengesetzten Seite kommt es zur Verschiebung der Ausscheidung entgegen der Richtung des Kohlenstoffstromes. Dieses Modell konnte um das Wachstum der umgebenden Körner in den zuvor von der Ausscheidung eingenommenen Bereich erweitert werden. Als limitierenden Faktor für das Auftreten dieses Prozesses wurde die Kohlenstoff-Flussdichte identifiziert. Ist diese zu niedrig kann einfließender Kohlenstoff den sich vor einer Ausscheidung aufbauenden Konzentrationsgradienten nicht überwinden. Die Veränderung der Mikrostruktur bleibt aus.	de
dc.description.abstracteng	Processing of materials with high electric and magnetic fields is a growing topic in material science. Yet, the interactions of fields and currents are complex and not fully understood. Therefore, the impact of high direct electric current densities on nanocrystalline iron-carbon thin films was investigated. The focus was placed on changes in the microstructure. The thin films were prepared by argon-beam sputtering on a silicon substrate with amorphous silicon-nitride surface. The films were shaped into electric circuit lines by electron beam lithography. Intensive characterisations of the films were carried out by X-ray diffraction, scanning electron microscope (SEM) and transmission electron microscope (TEM). In the SEM energy dispersive x-ray spectroscopy (EDS) and electron backscattered diffraction (EBSD) were used to determine moved elements, phase compositions and crystallographic orientations. Treatment with electric current densities up to 4 MA/cm² were carried out successfully in a self-build setup at elevated temperatures up to 650°C. These let to electromigration of the carbon atoms and the formation of elongated grains with aspect ratios from up to 7, while the remaining microstructure stayed nanocrystalline. These observations confirmed a previously existing theoretical work. According to this, in the case of electromigration-induced accumulation of the mobile species, in the considered model system the carbon, a precipitate can move in front of it against its current through the surrounding matrix. This model could be extended by the growth of grains of the surrounding matrix in the area previously occupied by the precipitate. The limiting factor for this process is the carbon flux density. If it is too low, the carbon will not be able to overcome the concentration gradient which builds up in front of the precipitate. The change of the microstructure remains absent.	de
dc.contributor.coReferee	Kirchheim, Reiner Prof. Dr.
dc.contributor.thirdReferee	Klein, Helmut PD Dr.
dc.contributor.thirdReferee	Hofsäss, Hans C. Prof. Dr.
dc.contributor.thirdReferee	Seibt, Michael Prof. Dr.
dc.contributor.thirdReferee	Pundt, Astrid Prof. Dr.
dc.contributor.thirdReferee	Krill, Carl E. Prof. PhD
dc.subject.ger	Elektromigration	de
dc.subject.ger	Eisen-Kohlenstoff	de
dc.subject.ger	REM	de
dc.subject.ger	Dünne Schichten	de
dc.subject.ger	Abnormales Kornwachstum	de
dc.subject.ger	Rasterelektronenmikroskopie	de
dc.subject.ger	Mikrostruktur	de
dc.subject.ger	Hohe elektrische Stromdichten	de
dc.subject.eng	electromigration	de
dc.subject.eng	iron-carbon	de
dc.subject.eng	SEM	de
dc.subject.eng	thin films	de
dc.subject.eng	electric current processing	de
dc.subject.eng	abnormal grain growth	de
dc.subject.eng	Scanning electron microscopy	de
dc.subject.eng	microstructure	de
dc.subject.eng	high current densities	de
dc.identifier.urn	urn:nbn:de:gbv:7-21.11130/00-1735-0000-0008-58DB-F-0
dc.affiliation.institute	Fakultät für Physik	de
dc.description.embargoed	2021-08-17
dc.identifier.ppn	1766495761

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Fakultät für Physik (inkl. GAUSS) [912]

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