Versetzungen in dünnen Metallschichten

Abstract

Die Fließspannungen polykristalliner dünner Metallschichten sind viel größer als die der entsprechenden Volumenmaterialien und nehmen mit abnehmender Schichtdicke zu. Die Versetzungsbewegung wird durch die einschränkende Geometrie behindert, die genauen Mechanismen, die die hohen Fließspannungen verursachen, sind bisher noch nicht verstanden und deshalb Gegenstand dieser Arbeit. Versetzungssimulationen berechnen die Dynamik von Versetzungen basierend auf der linearen Elastizitätstheorie unter Berücksichtigung der Selbstwechselwirkung einer Versetzung, Wechselwirkungen zwischen den Versetzungen, Versetzungsreaktionen, Randbedingungen und angelegten Spannungen. In dieser Arbeit wird die Bewegung von Versetzungen in Konfigurationen, die für eine dünne Schicht charakteristisch sind, simuliert. Zuerst wird festgestellt, daß Modelle, die bewegliche Versetzungen betrachten, die sich über die gesamte Schichtdicke erstrecken, nicht die experimentell gemessenen, hohen Fließspannungen oder deren Skalierung mit der inversen Schichtdicke erklären können, auch wenn die Wechselwirkungen mit anderen Grenzflächenversetzungen berücksichtigt werden. Die Aktivierung von Versetzungsquellen in kleinen Körnern wird simuliert. Diesen Ergebnissen folgend wird ein neues Modell vorgeschlagen, welches sich auf der Voraussetzung begründet, daß nur wenige Versetzungsquellen in der dünnen Schicht vorhanden sind und diese mehrfach aktiviert werden müssen, um eine plastische Verformung der Schicht zu erreichen. Es wird festgestellt, daß die effektive Quellengröße nur einen Bruchteil der Schichtdicke beträgt und daß Versetzungsquellen berücksichtigt werden müssen, wenn das Hall--Petch Modell für dünne Schichten verwendet wird. Dieses Quellenmodell sagt Fließspannungen voraus, die in guter Übereinstimmung mit experimentellen Daten sind, und erklärt das beobachtete Skalierungsverhalten der Fließspannung mit der Schichtdicke.

The flow stresses of polycrystalline thin metal films are much higher than for the corresponding bulk material and scale approximately with the inverse film thickness. The dislocation motion is restricted by the confined geometry, but the detailed mechanisms which cause the high stresses are not well understood. Therefore, in this work the plastic deformation of thin films is investigated with the help of a discrete dislocation simulation. Discrete dislocation simulations compute the movement of dislocations based on linear elasticity theory, taking into account the interaction between different dislocations, the dislocation self--interaction, boundary conditions, dislocation reactions and applied stresses. The dislocation simulation is used here to investigate dislocation configurations, which are characteristic for thin films. First, it is found that models based on moving dislocations which extend over the whole film thickness either can not explain the high flow stresses measured experimentally or give a wrong scaling with the film thickness, even when the interaction with other interface--dislocations is taken into account. The operation of dislocation sources in small grains is simulated. Following these results a new model is proposed based on the assumption that the number of dislocation sources per grain is small, thereby requiring multiple activation of a source. It follows that the effective source size is only a fraction of the film thickness and that source effects have to be taken into account if the Hall--Petch model is applied to thin films. This source-model predicts flow stresses which are in good agreement with experimental data and explains the observed scaling behavior of the flow stress with the film thickness.