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Ausscheidungshärtung dünner Al-0,6Si-0,6Ge-Schichten: Studie zur Übertragbarkeit eines Massivmaterial-Legierungskonzeptes
(2001) Kirchner, Steffen; Arzt, Eduard (Prof. Dr. phil.)
Die Entwicklung neuer und leistungsfähiger Produkte setzt in vielen Technologiebereichen die fortschreitende Miniaturisierung von Systemkomponenten voraus. Viele der im makroskopischen Bereich bewährten Materialien versagen jedoch im Submikrometermaßstab. Am Beispiel der erstmalig hergestellten dünnen Al-0,6at-Si-0,6at-Ge-Schichten wurde untersucht, ob das an Massivlegierungen entwickelte Konzept der Ausscheidungshärtung auf dünne Legierungsschichten übertragbar ist. Zum Vergleich wurden auch Al-Schichten sowie das Al-Si-Ge- bzw. Al-Massivmaterial charakterisiert. Während das Al-Si-Ge-Massivmaterial sich wie eine ausscheidungsgehärtete Legierung verhält, weisen die Schichten mehrere Besonderheiten auf, die z. T. erstmalig bei Al-Legierungsschichten beobachtet wurden: 1. eine {110}-Textur 2. die vollständige Spannungsrelaxation bei hohen Temperaturen 3. eine stark beschleunigte Ausscheidungsreaktion. Die Ursache dafür scheint die beobachtete Ge-Segregation zur Grenz- bzw. Schichtoberfläche zu sein, die zu einer teilweisen Wiederausscheidung bei der Abkühlung nach der Homogenisierung führt. Wie die Ausscheidungskinetik zeigt, wirken die bereits vorhandenen Ausscheidungen als Keime für ein zweidimensionales, diffusionskontrolliertes Ausscheidungswachstum während der Alterung. Trotz der dadurch groben Ausscheidungsverteilung weisen Al-Si-Ge-Schichten eine ca. doppelt so grosse Nanohärte auf wie Al-Schichten mit gleicher Schichtdicke und Korngrösse. Die Ausscheidungshärtung ist prinzipiell auch in dünnen Schichten wirksam. Das Aushärtungspotential wird jedoch nur teilweise ausgeschöpft, da dünne Schichten eine starke Tendenz zur heterogenen Keimbildung aufweisen. Durch die Segregation von Elementen zur Grenz-/Schichtoberfläche können die Textur, das Ausscheidungsverhalten und die mechanischen Eigenschaften dünner Schichten gezielt beeinflusst werden, welches bei der Entwicklung ausscheidungsgehärteter Dünnschichtlegierungen besonders berücksichtigt werden muss.