Metallic Thin Film Fatigue Dominated by the Interface Character
Publikationen: Thesis / Studienabschlussarbeiten und Habilitationsschriften › Dissertation
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Abstract
Metallische Dünnschichten sind integraler Bestandteil einer Vielzahl technologischer Anwendungen, einschließlich flexibler Elektronik, Photovoltaik und mikroelektromechanischer Systeme (MEMS), wo sie häufig mechanischen und thermomechanischen Belastungen ausgesetzt sind. Das Verständnis des Ermüdungsverhaltens und der Schadensmechanismen dieser Filme, insbesondere des Einflusses von Grenzflächen, ist entscheidend für die Verbesserung ihrer Zuverlässigkeit und Langlebigkeit. Diese Arbeit untersucht die Ermüdungseigenschaften und die mechanische Schadensevolution in Gold-Dünnschichten auf Polyimid-Substraten, sowohl mit als auch ohne eine Chrom-Zwischenschicht, sowie in freistehenden Gold-Schichten. Unter Verwendung von elektronischen in-situ-Widerstandsmessungen während der zyklischen Belastung präsentieren wir den ersten qualitativen Bericht über die Bedeutung der Analyse der Halbwertsbreiten (FWHM) in Untersuchungen zur zyklischen Belastung. Dieses neue Konzept bietet Zugang zu Merkmalen der Rissöffnung, die zuvor nicht verfolgt werden konnten, wo nur die Widerstandsmaxima und -minima innerhalb jedes Zyklus analysiert wurden. Ein Anstieg der Halbwertsbreite korreliert mit einem Übergang von unvollständigen Rissen zur Rissbildung durch die gesamte Dicke, und FWHM-Werte können verwendet werden, um Risse durch die gesamte Dicke zu erkennen. Wir zeigen auch, dass elektrische Widerstandsdaten mit drei Bereichen der Schadensausbreitung und dem Kornwachstum korreliert werden können. Diese Methode ist einfach zu implementieren und bietet eine kostengünstige Alternative zu traditionellen, zeitintensiven Inspektionstechniken. Es wird der Nutzen der umfangreichen Prozessierung von elektrischen Daten dargestellt, wobei die leichte Beschaffung und das Potenzial für eine schnelle in-situ-Analyse dieser Datenverarbeitungsmethoden betont wird. Darüber hinaus verwenden wir in-situ-Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) an einer Querschnitts-Probe, um Versetzungsaktivitäten und zugehörige Ermüdungseigenschaften im Nanobereich zu beobachten. Im Au/Cr-Schichtsystem entwickelten sich Wandstrukturen innerhalb eines ultrafeinkörnigen Au-Films zu dem, was eine geometrically necessary boundary (GNB) parallel zur Cr-Au-Grenzfläche zu sein scheint. Die GNB wirkte als Hindernis für die Versetzungsbewegungen, wobei aktivierte Gleitsysteme an ihrer Verbindung endeten und die Versetzungsmobilität erheblich beeinträchtigten und die Ermüdungsresistenz erhöhten. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass solche Strukturen eine bedeutende Rolle bei der Schadensakkumulation in Schichten mit Spannungsgradient spielen können und potenziell die Ermüdungslebensdauer erhöhen können. In freistehenden Au-Filmen zeigen TEM und 4D-Rasterelektronenmikroskopie (4D-STEM) eine erhebliche out-of-plane Kornrotation, Kornverschiebung und Kornwachstum in Bereichen um sich ausbreitende Risse, die von einer Kerbe ausgehen. Die Rissausbreitung folgt einer Mischung aus intergranularem und transgranularem Verhalten. Großflächige Indizierung der Kornorientierungen (orientation mapping) zeigt, dass die Deformationslokalisierung und die Rissausbreitung mit der lokalen Kornorientierung, insbesondere der Fehlorientierung zwischen benachbarten Körnern, verbunden sind. Zyklische Deformation führt zu einer out-of-plane Kornrotation um die Rissspitze, was dies als wichtigen Deformationsmechanismus für freistehende Metall-Dünnschichten hervorhebt. Insgesamt fördert diese Arbeit das Verständnis von grenzflächenbezogenen Schadensmechanismen in metallischen Dünnschichten und unterstreicht die kritische Rolle der mikrostrukturellen Merkmale in ihrem Ermüdungsverhalten. Die Ergebnisse liefern wertvolle Erkenntnisse für die Gestaltung zuverlässigerer Dünnschichtkomponenten in flexiblen elektronischen Bauteilen und anderen Anwendungen, in denen mechanische Langlebigkeit entscheidend ist. D
Details
Titel in Übersetzung | Grenzflächen-dominiertes Ermüdungsverhalten metallischer Dünnschichten |
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Originalsprache | Englisch |
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Status | Veröffentlicht - 1800 |