Grenzflächen-dominiertes Ermüdungsverhalten dünner Schichten
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Submikrometrische metallische Dünnschichten sind für ein breites Spektrum technischer Anwendungen von entscheidender Bedeutung. Sie werden entweder auf Substrate aufgebracht, z. B. in integrierten Schaltkreisen und flexibler Elektronik oder in freistehendem Zustand verwendet, z. B. in Mikrosensoren und mikroelektromechanischen Systemen (MEMS). In den meisten Anwendungen werden dünne Schichten zyklisch belastet und versagen durch spezifische Ermüdungsmechanismen. Submikrometrische dünne Metallschichten verhalten sich jedoch anders und ihr Versagen ist einzigartig. Es wird allgemein angenommen, dass dies auf das Vorhandensein einer Grenzfläche zu einem Substrat und zur freien Oberfläche zurückzuführen ist, was die Versetzungsabläufe während der Ermüdung stark beeinflusst. In diesem Projekt untersuchten wir den Einfluss verschiedener Substrattypen (keines, weich, hart) auf die Ermüdungseigenschaften von metallischen Modell-Dünnschichten und identifizierten die Mechanismen, die für bestimmte Versagensarten verantwortlich sind. Wir nutzten eine Kombination aus Bulge Test, elektrischer Widerstandsüberwachung, Röntgenbeugungsexperimenten, Transmissionselektronenmikroskopie und zyklischen mechanischen Tests, um die Verformung, das Kornwachstum, die Extrusionsbildung, die Rissbildung und die Delamination der Filme experimentell zu untersuchen. Bei freistehenden Filmen wurde festgestellt, dass die Ermüdung bei hohen Zyklen sowohl durch Versetzungsgleiten als auch durch Diffusionskriechen gesteuert wird, wobei die Verhältnisse mit der Temperatur und dem Spannungsniveau variieren. Die Kurzzeitfestigkeit der freistehenden Filme wird von ähnlichen Mechanismen dominiert, wie die Schichten auf Polyimidsubstrat. Bei den Experimenten auf Substrat wurde festgestellt, dass die Bildung von durch die gesamte Dicke durchgehenden Rissen für das Versagen entscheidend ist. Im Falle einer harten Grenzfläche wurde gezeigt, dass dieses Versagen das Ergebnis eines komplexen Zusammenspiels von Dehnungslokalisierung sowohl in der Schicht als auch im Substrat ist. Trotz der Zugangsbeschränkungen zu den Laboren während der Covid19-Pandemie ermöglichte die Zusammenarbeit zwischen den Projektpartnern bedeutende Fortschritte bei den Charakterisierungsmethoden. Die geleistete Pionierarbeit bei neuartigen In-situ-Ansätzen für die nanomechanische zyklische Charakterisierung dünner Schichten wird den künftigen Forschungsbemühungen zugute kommen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Linking through-thickness cracks in metallic thin films to in-situ electrical resistance peak broadening. Scripta Materialia, 212, 114550.
Gebhart, David D.; Krapf, Anna; Gammer, Christoph; Merle, Benoit & Cordill, Megan J.
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Creep-dominated fatigue of freestanding gold thin films studied by bulge testing. Materials Science and Engineering: A, 887, 145759.
Krapf, Anna; Gebhart, David D.; Gammer, Christoph; Cordill, Megan J. & Merle, Benoit
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Describing mechanical damage evolution through in situ electrical resistance measurements. Journal of Vacuum Science & Technology A, 41(2).
Gebhart, David D.; Krapf, Anna; Merle, Benoit; Gammer, Christoph & Cordill, Megan J.
