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Dünnschichtplastizität und Wechselwirkung von Gitterversetzungen mit der Film/Substrat Grenzfläche
(2004) Edongué, Hervais; Arzt, Eduard (Prof. Dr. phil)
Die Gefüge und das thermomechanische Spannungsverhalten von 100-2000 nm dicken epitaktischen und polykristallinen Cu Schichten auf (0001)-alpha-Al2O3 Substraten, die in Ultrahochvakuum hergestellt und bei 600 °C ausgelagert wurden, wurden untersucht. Epitaktische Schichten zeigen zwei {111} zwillingsorientierte Domänen mit einer Domänengröße, die mehr als das 30-fache der Schichtdicke beträgt, während die lognormal verteilte Korngröße der ebenfalls {111} orientierten polykristallinen Schichten nur das 1-2-fache der Schichtdicke aufweist. Dieser Unterschied in den Gefügen macht sich bei dem Verformungsverhalten der beiden Schichtgruppen bemerkbar. Bei hohen Temperaturen werden die Spannungen in polykristallinen Schichten durch Diffusionsplastizität an den Korngrenzen abgebaut. Dagegen ist das plastische Verformen der epitaktischen Schichten unabhängig von der Temperatur immer auf Versetzungsplastizität zurückzuführen. Fließspannungen bei Raumtemperatur nehmen in epitaktischen und polykristallinen Schichten mit abnehmender Schichtdicke zu. Aufgrund ihrer großen Domänen sind epitaktische Schichten jedoch weicher als polykristalline Schichten gleicher Schichtdicke. Allerdings sind die Fließspannungswerte der epitaktischen Schichten größer als Vorhersagen durch ein Modell, das eine Einengung der Versetzungsbewegung durch die Schichtdicke annimmt. Diese Diskrepanz liegt in Zwillingsgrenzen begründet, die parallel zur Schicht-Substratgrenzfläche verlaufen und die Versetzungsbewegung in der Schicht zusätzlich einengen, ähnlich wie die Schicht-Substratgrenzfläche selbst. Diese Einengung der Versetzungsbewegung in dünnen Schichten durch Grenzflächen führt zu den erhöhten Fließspannungswerten.