Preparation and characterization of microtubes of amorphous metallic thin film systems

• Applicant: Dr. Horst Wendrock
• Subject Area: Synthesis and Properties of Functional Materials ; Mechanical Properties of Metallic Materials and their Microstructural Origins
• Term: from 2013 to 2016
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 235006964

• Final Report Year: 2017

Final Report Abstract

Die Abscheidung von amorphen CuTi- sowie NiZr-Schichten mittels Zweifach-Kathodenzerstäuben ist in einem weiten Konzentrationsbereich reproduzierbar gelungen. Die Hoffnung auf Einbau genügend hoher mechanischer Eigenspannungen in den amorphen Schichten erfüllte sich nicht, jedoch konnten stark unter Druckspannung stehende kristalline Schichten mit wenigen at-% Cu bzw. Ni erzeugt werden, die als Treiberschicht beim Schichtaufrollen nutzbar sind. Die mechanischen und elektrischen Eigenschaften der planaren Schichten wurden umfassend analysiert, um eine verläßliche Datenbasis für die Konzeption funktionaler metallischer Mikroröhren zu schaffen. Versuche zum Amorphisieren von kristallin abgeschiedenen Schichten beider Systeme durch Festkörperreaktionen während einer Wärmebehandlung führten stets zur Bildung intermetallischer Phasen anstelle der amorphen Phase. Die Erzeugung aufgerollter Mikroröhren ist mit Zweifachschichten aus kristallinem, verspanntem Cu10Ti90 und amorphem Cu50Ti50 gelungen, nachdem ein modifizierter Prozess der Strukturierung und der Opferschichtauflösung erarbeitet wurde. Es konnten Röhren mit Durchmessern von 2 bis 50 µm und Wicklungszahlen von 2 bis ca. 30 erzeugt werden. Die Röhrenlänge, also die Breite der Aufrollfront, ist bis zu 1mm beherrschbar. Die erreichbaren Durchmesser folgen ungefähr den veröffentlichten Modell-Formeln, ihre Reproduzierbarkeit wie auch die Qualität des Aufwickelns ist jedoch nicht sehr gut. Die lithografische Strukturierung der CuTi-Schichten sind mit Standardtechniken wie Fotolithografie und Reaktivem Ionenätzen gelungen, jedoch stellt das geordnete Aufrollen (genauer: das zeitlich/örtlich gestaffelte Auflösen der Opferschicht) ein erhebliches Problem dar. Die mechanischen Eigenschaften der Röhren liegen im vermuteten Bereich, leider konnten aus Zeitgründen nicht so vielfältige Untersuchungen absolviert werden wie geplant. Insbesondere der Einfluß der Haftung der Schichten im Wickel auf die Gesamtsteifigkeit der Röhren bedarf noch eingehender Betrachtung. In der ersten Belastungsphase wurde die Schichthaftung jedoch meistens als kleine Störung, nicht als Haupteinflussgröße gefunden. Ein Abgleiten der Wicklungen scheint erst bei höheren Belastungen einzusetzen und dann mit Entlastung sogar teilweise umgekehrt abzulaufen. Es ist gelungen, amorphe CuTi-Schichten herzustellen und in selbstaufrollenden Röhren zu organisieren. Die amorphe Schicht hat sehr glatte Oberfläche, ist metallisch leitfähig und mechanisch gut belastbar, was sie für entsprechende Aufgabenstellungen im Feld der Lab-on-a-chip-Technik interessant macht.

Publications

• Amorphe Metallschichten und ihre Verwendung als Mikroröhren, Dissertation, TU Dresden, 2014
  H. Turnow
  
• Synthesis and characterization of amorphous Ni–Zr thin films, Thin Solid Films, 561 (2014) 48-52
  H. Turnow, H. Wendrock, S. Menzel, T. Gemming, J. Eckert
  
• Structure and properties of sputter deposited crystalline and amorphous Cu-Ti films, Thin Solid Films, 598 (2016) 184-188
  H. Turnow, H. Wendrock, S. Menzel, T. Gemming, J. Eckert