Annihilation freier Volumina und Eigenspannungen in nanokristallinen metallischen Schichten

• Antragsteller: Professor Dr. Harald Schmidt
• Fachliche Zuordnung: Thermodynamik und Kinetik sowie Eigenschaften der Phasen und Gefüge von Werkstoffen ; Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
• Förderung: Förderung von 2009 bis 2015
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 109158040

• Erstellungsjahr: 2016

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Gegenstand des Projekts über seine Gesamtlaufzeit war das grundlegende Verständnis, die wechselseitige Korrelation und die Beschreibung folgender materialphysikalischer Prozesse in nanokristallinen Metallschichten während isothermer Glühungen in der Nähe der Raumtemperatur: (1) die Relaxation von Eigenspannungen, (2) die zeitlichen Änderung der Konzentration freier Volumina/Leerstellen, (3) die strukturellen Reorientierung von Körnern und (4) die Selbstdiffusion. Als Modellsystem wurden nanokristalline Pt-Schichten verwendet. Zur zeitaufgelösten experimentellen Charakterisierung der Modifikation der Leerstellenkonzentration und der Spannungsrelaxation wurde erstmals die von uns erdachte neuartige Methode der synchrotrongestützten Differenzdilatometrie erfolgreich realisiert. Diese Methode basiert auf der (quasi)simultanen In-situ-Messung von Gitterkonstanten mit Röntgendiffraktometrie (XRD) und der makroskopischen Längenänderung (Filmdicke) mit Röntgenreflektometrie (XRR) während isothermer Glühungen. Es wurde im idealen Fall eine Bestimmung der relativen Leerstellenkonzentration mit einer Genauigkeit von bis zu ∆c ≈ 5 x 10^-4 realisiert, wobei die dominierende Begrenzung aus der Messung der Schichtdicke herrührt. Tracer-Diffusionsuntersuchungen erfolgten mit Neutronenreflektometrie und Sekundärionenmassenspektrometzrie an 194Pt/natPt Isotopenmultilagen und Doppelschichten. In Ergänzung wurden TEM, XPS, EBSD Messungen ex-situ durchgeführt. Als wesentliches Ergebnis des Projekts konnte erstmals nachgewiesen werden, dass die Relaxation kompressiver Eigenspannungen in nanokristallinen dünnen Filmen nahe Raumtemperatur mit der Erzeugung von Leerstellen an der Oberfläche korreliert ist. Hierdurch wird der diffusive Transport von Atomen/Leerstellen entlang der Korngrenzen zur/von der Oberfläche ermöglicht, was zur Reduzierung der Eigenspannungen in einem thermisch aktivierten Prozess mit einer Aktivierungsenthalpie von 0.14 eV führt, bei dem die Leerstellen annihiliert werden. Als zusätzlicher Mechanismus kommt bei Temperaturen > 200 °C laterales Kornwachstum mit einer simultanen Reduzierung freier Volumina hinzu.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Strain Relaxation and Vacancy Creation in Thin Platinum Films, Physical Review Letters 107 (2011), 265501
  W. Gruber, S. Chakravarty, C. Baehtz, W. Leitenberger, M. Bruns, A. Kobler, C. Kübel, H. Schmidt
  
• Structural Re-Organization Kinetics of Nano-Crystalline Pt Films During In-situ Annealing, Defect and Diffusion Forum 323-325 (2012), 149
  W. Gruber, S. Chakravarty, C. Baehtz, H. Schmidt
  
• Influence of a Passivation Layer on Strain Relaxation and Lattice Disorder in Thin Nano-Crystalline Pt Films during In-situ Annealing, Thin Solid Films 565 (2014), 79
  W. Gruber, J. Rahn, C. Baehtz, M. Horisberger, U. Geckle, H. Schmidt
  
• A SIMS Study on Self-Diffusion of Pt in Thin Nano-Crystalline Films, Defect and Diffusion Forum 363 (2015), 219
  W. Gruber, J. Rahn, F. Strauss, L. Dörrer, H. Schmidt
  
• Micro structure, strain relaxation and grain boundary expansion in thin nanocrystalline platinum films, Applied Surface Science 368 (2016), 341
  W. Gruber, C. Baehtz, M. Horisberger, H. Schmidt
  
• Isothermal differential dilatometry based on X-ray analysis applied to stress relaxation in thin ion beam sputtered Pt films, Journal of Materials Science, 2017, Volume 52, Issue 3, pp 1647–1660
  W. Gruber, C. Baehtz, T. Geue, J.Stahn, H. Schmidt