Größeneinfluss auf das Bruchverhalten spröd-duktiler Grenzflächen

Die Kombination unterschiedlicher Materialien mit gegensätzlichen physikalischen Eigenschaften ermöglicht es außergewöhnliche strukturelle und funktionale Eigenschaften in Verbundstrukturen zu erzielen. Solche heterogenen Verbundstrukturen kommen somit in verschiedensten technologischen Anwendungen aber auch in Biomaterialien in verschiedenen Größenordnungen vor. Die gemeinsamen Grenzflächen solcher Materialschichten stellen jedoch Schwachstellen dar und beeinflussen somit das Verformungsverhalten sowie die Zuverlässigkeit der gesamten Verbundstrukturen. Besonders die Kombination aus duktilen (weichen) Materialien mit spröden (harten) Materialien kommt in vielerlei Anwendungen vor. Dies umfasst beispielsweise Schutzschichten, Dünnschichtkomponenten in Mikroelektronikbauteilen, aber auch Biomaterialien. Ziel dieses angehenden Projektes ist es somit der Rolle der Grenzfläche auf das Verformungsverhalten eines spröd-duktilen Modellpaares auf den Grund zu gehen und es auf verschiedenen Längenskalen vom makroskopischen Bereich bis hin zum Nanometer zu untersuchen. Als chemisch inerte Modellmaterialverbindung wird duktiles Silber (Ag) auf einkristallinem Magnesiumoxid (MgO) mittels Methoden der physikalischen Gasphasenabscheidung hergestellt. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es ein grundlegendes Verständnis für das Verformungsverhalten und die vorherrschenden Rissausbreitungsmechanismen an der MgO-Ag Grenzfläche aufzubauen. Neueste experimentelle Methoden einschließlich statischer und zyklischer Belastungsexperimente werden angewandt um das Verhalten der Bi-Materialgrenzflächen zu untersuchen. Es ist weiters geplant ausgewählte in situ Experimente im Raster- und Transmissions- Elektronenmikroskop durchzuführen um die Rissinitiierung und Ausbreitung entlang der Grenzfläche des Bi-Materials direkt zu beobachten und die Versetzungsbildung und - bewegung zu untersuchen, die im Zuge des Grenzflächenbruchs auftritt. Das Hauptaugenmerk wird auf die Rolle der Grenzfläche auf die als Funktion der Filmdicke, Mikrostruktur und Art der Belastung auftretenden Verformungsmechanismen gerichtet sein und auf deren Effekt auf die gemessene Bruchfestigkeit der Grenzfläche. Daher wird eine systematische Untersuchung der auf verschiedenen Längenskalen (ungefähr acht Größenordnungen) auftretenden Bruchmechanismen durchgeführt. Es ist das Ziel ein tiefgreifendes Verständnis der auftretenden Mechanismen, speziell im Nanometer Bereich, zu gewinnen. Diese Längenskala gewinnt auf Grund der fortschreitenden Miniaturisierung von Materialstrukturen und Kompositen in neuen Anwendungsbereichen immer mehr an Bedeutung.

Die Erzielung außergewöhnlicher struktureller und funktioneller Eigenschaften in fortgeschrittenen Materialien beinhaltet oft die Kombination von Materialien mit unterschiedlichen und manchmal widersprüchlichen physikalischen Eigenschaften. Heterogene Strukturen, die durch unterschiedliche Materialien in Verbundwerkstoffen repräsentiert werden, sind sowohl in technologisch relevanten als auch in natürlichen Materialien auf verschiedenen Längenskalen weit verbreitet. Die Grenzflächen zwischen diesen Materialien spielen eine entscheidende Rolle bei der Bestimmung des Gesamtverformungsverhaltens und der Zuverlässigkeit von Verbundstrukturen, insbesondere in Anwendungen wie der Mikroelektronik. Dieses Projekt konzentriert sich auf die Untersuchung der Eigenschaften von Dünnschichten und ihrer Auswirkungen auf das Delaminationsverhalten auf verschiedenen Längenskalen, wobei ein besonderer Schwerpunkt auf spröd-duktilen Grenzflächen liegt. Das herkömmliche Hutchinson & Suo-Modell, das auf der elastischen Balkentheorie basiert, wird häufig zur Quantifizierung der Grenzflächenhaftung verwendet, berücksichtigt jedoch keine plastische Deformation während der Verformung der Dünnschicht. Unser neuartiger experimenteller Ansatz, durchgeführt auf mikroskopischer Ebene, zeigt, dass die Fähigkeit einer Dünnschicht zur plastischen Deformation deren Widerstand gegen Delamination erhöht und somit die Haftung verbessert. Fortgeschrittene experimentelle Techniken, einschließlich monotoner und zyklischer Belastungssetups, wurden entwickelt, um das Grenzflächenverhalten von Grenzflächenstrukturen spröd duktiler Materialkombinationen zu untersuchen. In-situ-Transmissionselektronenmikroskopie, in Verbindung mit einem Picoindentation-Probenhalter, wurde verwendet, um die Delamination auszulösen und gleichzeitig die Mechanismen der Dünnschichtverformung bei hoher Auflösung zu beobachten. Dieser umfassende Ansatz zielt darauf ab, die beteiligten Mechanismen zu verstehen, insbesondere auf der Nanoskala, da die fortschreitende Miniaturisierung von Materialstrukturen und Verbundstoffen in neuartigen Anwendungen immer wichtiger wird. Die aus dieser Studie gewonnenen Erkenntnisse haben das Potenzial, unser Verständnis der Grenzflächenzuverlässigkeit voranzutreiben und zur Gestaltung widerstandsfähigerer Verbundwerkstoffe für vielfältige technologische Anwendungen beizutragen.