Nanocrystalline thin films : microstructure, stability and properties

Abstract

The introduction of crystal defects into the microstructure of materials can lead to a considerable improvement of their properties. In particular, the effect of nanocrystallinity and nanotwinning is a current field of research. The present thesis contributes to this topic by the investigation of the microstructure, stability and properties of magnetron-sputtered Ni-based thin films using diffraction methods, mainly X-ray diffraction. The {111} fibre-textured films exhibit a very high density of planar faults oriented parallel to the surface of the films. This microstructure generates a peculiar intensity distribution in reciprocal space which is utilized to investigate the stress state and the planar-fault density of thin films with different compositions in the present thesis. The results of analyses performed ex situ and in situ during tensile testing and thermal treatments are presented. The appearance and thermal stability of an hcp-like solid-solution phase - which can be considered as an fcc-like stacking exhibiting a twin-fault density of more than 50 % - in a certain composition range of the Ni-W system is rationalized by first-principles calculations.

Das Einbringen von Kristalldefekten in die Mikrostrukturen von Materialien kann deren Eigenschaften erheblich verbessern. Besonders die Effekte der Nanokristallinität und der Nanoverzwillingung sind derzeit im Fokus der Forschung. Die vorliegende Arbeit trägt zu diesem Thema durch die Untersuchung der Mikrostruktur, Stabilität und Eigenschaften magnetron-gesputterter Ni-basierter Dünnschichten mithilfe von Beugungsmethoden, hauptsächlich Röntgenbeugung, bei. Die {111}-fasertexturierten Schichten weisen eine hohe Dichte an planaren Defekten auf, die parallel zur Schichtoberfläche orientiert sind. Diese Mikrostruktur verursacht eine besondere Intensitätsverteilung im reziproken Raum, die zur Bestimmung des Spannungszustandes und der Defektdichte von Dünnschichten verschiedener Zusammensetzungen in der vorliegenden Arbeit genutzt wird. Die Ergebnisse der Analysen, die sowohl ex situ, als auch in situ während Zugversuchen und thermischen Behandlungen durchgeführt wurden, werden präsentiert. Das Auftreten und die thermische Stabilität eines hdp-artigen Mischkristalls - den man als kfz-Stapelfolge mit einer Zwillingsfehlerdichte von über 50 % beschreiben kann - in einem gewissen Zusammensetzungsbereich im Ni-W System wird durch sogenannte "first-principles calculations" erklärt.