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Versetzungen in dünnen Metallschichten
(2002) Blanckenhagen, Burghard von; Arzt, Eduard (Prof. Dr. phil.)
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.