Herstellung und Charakterisierung nanoskaliger Formgedächtnis-Schichtobjekte - Skalierungseffekte und Grenzen der reversiblen martensitischen Transformation

• Applicant: Professor Dr.-Ing. Alfred Ludwig
• Subject Area: Mechanical Properties of Metallic Materials and their Microstructural Origins
• Term: from 2008 to 2013
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 68955286

• Final Report Year: 2014

Final Report Abstract

Im Rahmen dieses Projektes wurde das Skalierungsverhalten von nanoskaligen Ti-Ni-Cu Dünnschichten bzw. Schichtobjekten hinsichtlich der Phasentransformationseigenschaften und evtl. die Umwandlung beschränkender Faktoren untersucht. Weiterhin wurde aufgrund der erforderlichen Projektanpassung ein neuer Ansatz zur Herstellung von Legierungs-NP mit beliebiger chemischer Zusammensetzung angewendet. Folgende Erkenntnisse wurden im Rahmen dieses Projektes gewonnen:  Kontinuierliche Ti51Ni38Cu11 Schichten weisen stabile reversible Phasenumwandlungen bis zu einer Schichtdicke von 50 nm auf. Für Schichtdicken < 150 nm tritt eine tetragonale Verzerrung des B19 Martensits auf. Dies kann zu verschwindend kleinen Hysteresen führen.  Drahtförmige Ti51Ni38Cu11 Strukturen mit einer Schichtdicke von 100 nm zeigen ebenfalls reversible Phasenumwandlungen bis zu einer Strukturbreite von ~ 500 nm. Auch hier wird eine vergleichbare Abhängigkeit der Phasenumwandlungstemperaturen von der Strukturdimension beobachtet wie im Fall der kontinuierlichen Schichten.  Der Einfluss der sich bildenden Reaktionsschichten auf die chemische Zusammensetzung sowie das Phasentransformationsverhalten wurde untersucht und ein schematisches Schichtmodell wurde erstellt. Der Einfluss der Reaktionsschichten wird für Schichtdicken < 200 nm deutlich und muss berücksichtigt werden.  Au-Cu und Ti-Ni-Cu Legierungs-NP wurden mittels Sputtern in IL hergestellt. Für Ti-Ni-Cu NP zeigte sich eine Reaktion zwischen NP und IL. Hier wird deutlich, dass das zu sputternde Material und die IL aufeinander abzustimmen sind. Dennoch ist der verwendete Ansatz vielversprechend für die Synthese von Legierungs-NP mit beliebiger Zusammensetzung. Das Projekt hat die Grenzen der martensitischen Umwandlung für Ti-Ni-basierte Schichten aufgezeigt sowie MEMS-Werkzeuge und Hochdurchsatzmethoden entwickelt um diese, auch für andere Systeme, zu untersuchen. Aufgrund der hohen Reaktivität des Legierungsbestandteils Ti, können nur Schichten bis zu Schichtdicken von 50 nm eingesetzt werden. Bei lateraler Strukturierung ändert sich das Umwandlungsverhalten ebenfalls. Als Ausblick wird die Bearbeitung nanoskaliger oxidischer SMA (ZrO2, VO2) vorgeschlagen, da diese bereites im oxidierten Zustand vorliegen. Weiterhin könnten metallische Nanodrähte (z.B. Au) für Anwendungen < 50 nm genutzt werden. Im Bereich der Ti-Nibasierten SMA > 50 nm wird vorgeschlagen, die entwickelten Hochdurchsatzmethoden zum Studium des Einflusses der lateralen Strukturierung auf die Formgedächtniseigenschaften zu nutzen. Die im Projekt vorgeschlagenen nanomechanischen Untersuchungen konnten aufgrund des nicht funktionsfähigen Nanofactory-Halters nicht durchgeführt werden. Allerdings sollte dies nun, in Kooperation mit in-situ TEM Experten angegangen werden.

Publications

• DPG Spring Meeting 2009: Scaling and stress effects on freestanding and substrate-attached Ti-Ni-Cu thin film microbridges
  D. König, M. Ehmann, S. Thienhaus, A. Ludwig
  
• Micro- to nanostructured devices for the characterization of scaling effects in shape memory thin films, J. Microelectromech. Sys., 19, 5, 1264-1269, (2010)
  D. König, M. Ehmann, S. Thienhaus, A. Ludwig
  
• A New Prototype Two-Phase (TiNi)-(β-W) SMA System with Tailorable Thermal Hysteresis, Adv. Funct. Mater., 21, 113 – 118, (2011)
  P.J.S. Buenconsejo, R. Zarnetta, D. König, A. Savan, S. Thienhaus, A. Ludwig
  
• Phase transformation, structural and functional fatigue properties of Ti-Ni-Hf shape memory thin films, Acta Materialia, 59, 3267–3275, (2011)
  D. König, R. Zarnetta, A. Savan, H. Brunken, A. Ludwig
  
• Thickness-dependence of the B2-B19 martensitic transformation in nanoscale shape memory alloy thin films: zero-hysteresis in 75 nm thick Ti51Ni38Cu11 thin films, Acta Mater., 60, 306–313, (2012)
  D. König, P.J.S. Buenconsejo, D. Grochla, S. Hamann, J. Pfetzing-Micklich, A. Ludwig
  
• Materials Research Society Spring Meeting 2013: Thickness-dependent transformation properties of nanoscale Ti51Ni38Cu11 shape memory alloys thin films: Effects on thermal hysteresis and chemical composition
  D. König, P.J.S. Buenconsejo, D. Naujoks, T. de los Arcos, S. Hamann, A. Ludwig
  
• High-throughput of Au-Cu nanoparticle libraries by Combinatorial Sputtering in Ionic Liquids, Adv. Funct. Mater., 24, 2049-2056, (2014)
  D. König, K. Richter, A. Siegel, A.-V. Mudring, A. Ludwig
  
• X-ray photoelectron spectroscopy investigations of the surface reaction layer and its effects on the transformation properties of nanoscale Ti51Ni38Cu11 shape memory thin films. Advanced Engineering Materials, Vol 17 Issue 5, May 2015, Pages 669-673. First published: 28 August 2014
  D. König, D. Naujoks, T. de los Arcos, S. Grosse-Kreul, A. Ludwig