Interfacial Behaviour of Metal Films on Polymer Substrates

Die materialwissenschaftlichen Erkenntnisse dieses Forschungsprojektes werden die Materialentwicklung und das Design für verformbare elektronische Geräte, wie z.B. flexible Displays, direkt beeinflussen. Eines der Ziele ist es, die Zuverlässigkeit und Lebensdauer von solchen Geräten und Bauelementen, die sich derzeit nur durch Labor- und Feldtests ermitteln lassen, abzuschätzen. Die in dem geplanten Projekt gewonnenen wissenschaftlichen Erkenntnisse werden es ermöglichen Vorhersagemodelle für (mikro-)strukturelle Veränderungen und mechanische Eigenschaften zu entwickeln. Dies ist eine grundlegende Voraussetzung für die Entwicklung von nanostrukturierten Hochleistungsmaterialien und darauf aufbauenden Geräten. Die mechanischen Eigenschaften verformbarer elektronischer Geräte sind bislang noch weitgehend unerforscht, da sie aus komplexen Materialkombinationen bestehen, wie z.B. aus Keramik- und Metallfilmen auf flexiblen Polymersubstraten. Für dünne Metallfilme auf starren Substraten ist bekannt, dass sich mechanische Eigenschaften (Härte, Fließspannung, Bruchdehnung, etc.) im Vergleich zum Massivmaterial verbessern, so lange die Filme an den Substraten haften. Auch Metallfilme auf nachgiebigen Substraten haben verbesserte mechanische Eigenschaften; sie lassen sich weiter verformen als freistehende Filme. Sobald sich die Filme lokal vom Substrat lösen, versagen die Filme aufgrund der hohen inneren Spannung. Die Grenzflächenhaftung von Metallfilmen auf starren Substraten lässt sich zwar teilweise durch verschiedene Methoden bestimmen, dies ist aber für Metallschichten auf Polymersubstraten wegen der komplizierten und weitgehend unverstandenen Verformungsmechanismen noch nicht möglich. Deshalb wird ein iteratives Forschungsprogramm vorgeschlagen, das sich mit der Grenzflächenhaftung, den mechanischen Eigenschaften und den Verformungsmechanismen von dünnen Metallfilmen auf nachgiebigen Polymersubstraten befassen soll. Die Experimente bestehen aus Zugversuchen und zyklischen Belastungen der Materialkombinationen, um Spannungs-Dehnungsverhalten und Ermüdungszeiträume festzustellen, sowie aus einer Analyse der Bruchmechanismen der Filme. Die Haftung der Metall-Polymer-Grenzflächen wird durch "Buckling" und Delamination gemessen. Hierfür sind Experimente mit Deckschichten, die unter mechanischer Spannung stehen und so in dem Schichtsystem Buckling induzieren, sowie mit Nanoindentation geplant. Mechanische Modelle und die Größe der delaminierten Bereiche erlauben die Berechnung der Adhäsionsenergie der Grenzfläche. Außerdem werden in-situ Rasterelektronenmikroskopie (REM) und in-situ Transmissionseklektronenmikroskopie (TEM) zur Analyse der Verformungsmechanismen eingesetzt. Die Beobachtung von Rissbildung und -wachstum wird wichtige Informationen darüber liefern, wie diese Systeme sich verformen und letztendlich versagen. Das Department Materialphysik an der Montanuniversität Leoben und dessen Partnerinstitut, das Erich Schmid Institut für Materialwissenschaft der Österreichischen Akademie der Wissenschaften, sind der ideale Ort für dieses Forschungsprojekt, da es in-situ Bruch- und Verformungsversuchsvorrichtungen besitzt, mit denen innerhalb eines REM die Bruchmechanismen im benötigten Maßstab beobachtet werden können. Prof. Dr. Gerhard Dehm hat langjährige Erfahrung im Bereich mechanischer Materialeigenschaften in Mikro- und Nanodimensionen, insbesondere mit Mikrostruktur-Eigenschaftsbeziehungen, sowie mit Grenzflächen und der Anwendung und Entwicklung von in-situ REM und TEM Methoden. Weiters besitzt das Institut einen Nanoindenter, um die mechanischen Eigenschaften der Systeme lokal zu untersuchen. Die Antragstellerin, Megan J. Cordill, hat Expertise im Bereich mechanische Testmethoden und Adhäsion von dünnen Filmen. Die umfangreiche Erfahrung von Cordill und Dehm mit miniaturisierter Verformung, Nanoindentation, Grenzflächen, Haftung und TEM- Methoden sind eine optimale Voraussetzung das vorgeschlagene Forschungsprojekt erfolgreich durchzuführen. Das Projekt ist wohldurchdacht, wird von Cordill organisiert und beinhaltet neue Experimente, die in-situ REM/TEM- Methoden verwenden. Getestet werden hoch verspannte Filme zur Verwendung als dehnbare Leiterbahnen, strukturierte Schichten aus wohl-definierten Materialien mit und ohne Adhäsionsschichten. Die Ergebnisse dieses Forschungsprojektes werden von dem Forschungsteam durch Vorträge auf internationalen Konferenzen vorgestellt sowie in angesehenen internationalen Journalen publiziert. Mit einem grundlegenden Verständnis wie diese plastisch-elastischen Materialkombinationen versagen, können verbesserte Technologien entwickelt werden, um neue und mechanisch optimierte flexible Elektronikprodukte herzustellen.