Die martensitische Phasenumwandlung in dünnen Kobaltschichten

Abstract

In der Mikrosystemtechnik werden dünne Schichten aus Formgedächtnislegierungen in Mikroaktuatoren verwendet. Der Formgedächtniseffekt basiert auf einer martensitischen Phasenumwandlung. Jedoch unterscheidet sich das Materialverhalten in dünnen Schichten aufgrund der geometrischen Einschränkung von dem in Massivmaterial. Insbesondere zeigen dünne Metallschichten hohe Spannungen, die eine martensitische Umwandlung maßgeblich beeinflussen. Der Größeneffekt auf die Umwandlungen ist nicht vollständig geklärt. Daher wurde in dieser Arbeit die martensitische kfz-hdp Phasenumwandlung in 0,2 bis 3µm dicken polykristallinen Co-Schichten auf Si-Substraten untersucht. Die Schichtspannung wurde mit einer Substratkrümmungsmessmethode als Funktion der Temperatur gemessen. Während der Temperaturzyklen verursachte die martensitische Umwandlung beim Abkühlen eine Spannungsreduzierung. Gleichzeitig verschob sich der Beginn der Umwandlung durch eine höhere Zugspannung zu tieferen Temperaturen um 0,5 K/MPa. Dieses erstmals beobachtete Verhalten, das zwei gegenläufige Einflüsse der Schichtspannung belegt, widerspricht thermodynamischen Betrachtungen. Die dabei zu berücksichtigende Textur wurde mittels Cu-Röntgenstrahlung bestimmt. Darüber hinaus wurde bei in-situ Experimenten mit Synchrotron-Röntgenstrahlung eine vom Neigungswinkel der Gleitebenen der SPV zur Schichtoberfläche abhängige Behinderung der Umwandlung gefunden. Diese Umwandlung beruht auf der Bewegung von Shockley-Partialversetzungen (SPV). Ein im Rahmen dieser Arbeit vorgestelltes Keimbildungsmodell beruht darauf, dass Martensitplatten aus SPV mit sich zu Null addierenden Burgersvektoren bestehen. Diese SPV bewegen sich zu Beginn der Umwandlung einzeln von einer Keimstelle ins Korninnere. Das Übertragen dieses Modells auf die dünnen Co-Schichten führt zu einer guten Übereinstimmung mit den experimentellen Befunden.

Shape memory alloys are used in micromechanical devices. The shape memory effect is based on a martensitic phase transformation. Due to the geometrical constraints the mechanical and the transformation behavior of a thin film differs from the bulk material. Also, a martensitic transformation depends on stress and thin metal films usually develop a high film stress. The difference of the martensitic transformation in thin films compared to bulk material is not fully understood. Therefore, the martensitic fcc-hcp phase transformation was studied in 0.2 to 3 µm thick Co films that had been sputtered onto Si substrates. This transformation is based on the glide of Shockley partial dislocations (SPD) on every other close-packed plane. The film stress was measured as a function of temperature by a substrate curvature method. During the temperature cycles, the martensitic phase transformation manifested as a stress drop while cooling. For a higher tensile stress, the transformation started at a lower temperature by 0.5 K/MPa. Hence, a higher film stress impedes the transformation although the work done during the transformation helps the transformation to occur. This behavior is in contradiction to thermodynamical considerations and has never been observed in bulk Co. The texture has been measured by X-rays of a Cu source. Furthermore, the transformation was studied in-situ by X-rays of a synchrotron source. These measurements showed that the impedance of the transformation strongly depends on the inclination angle of the glide plane of the SPD compared to the film surface. A presented nucleation model assumpts that the sum of the Burgers vectors of each of the SPD in a martensite plate vanishs. Furthermore, the SPD nucleate at an inhomogenity and move individually into a grain. The model is applied to the Co films and explains the experimental results well.