Größeneffekte in den Verformungseigenschaften von metallischen Dünnfilmgläsern

Amorphe metallische Legierungen, die heute allgemein als metallische Gläser (MGs) bezeichnet werden, besitzen im Vergleich zu herkömmlichen kristallinen Metallen eine einzigartige Kombination von mechanischen, chemischen und physikalischen Eigenschaften. Da MGs kein Kristallgitter und keine Gitterdefekte enthalten sind MGs fester und elastischer, sie sind stabil gegen Korrosion und Verschleißschäden und sie können auch gute Biokompatibilität aufweisen. Der Schwachpunkt von MGs besteht darin, dass sie in katastrophaler Weise spröd brechen, wenn die mechanische Spannung einen kritischen Wert überschreitet. Um dieses Problem zu lösen, ist es notwendig MGs zu entwerfen, die plastische Verformbarkeit zeigen, wie beispielsweise Kupfer, Aluminium oder Stahl. Plastische Verformbarkeit (oder Duktilität) von MGs wurde in sehr kleinen Proben (kleiner als ein Mikrometer) beobachtet. Es wird jedoch immer noch diskutiert, ob es tatsächlich möglich ist, durch das Verringern der Probengröße MGs duktiler zu machen, oder ob der beobachtete Effekt der Probenherstellung oder dem mikromechanischen Versuchsaufbau zuzuschreiben ist. In diesem Projekt wird die Größenabhängigkeit der mechanischen Eigenschaften mit einem Ansatz untersucht, der sich von den mikromechanischen Verformungsversuchen unterscheidet. MG-Filme mit Dicken zwischen 5 nm und 1000 nm werden auf Polymersubstraten abgeschieden um Proben mit eine Breite von etwa 4 mm und einer Länge von etwa 40 mm zu erhalten. Die mechanische Kraft wird direkt auf die polymergestützte Dünnfilme aufgebracht. Durch Messung des elektrischen Widerstandes während der mechanischen Versuche lassen sich Veränderungen in der Morphologie der MG-Filme (wie Risse oder Scherbänder) detektieren. Unsere Vorstudie hat gezeigt, dass der sprödähnliche Bruch in amorphen PdSi- Schichten in ein duktiles Verhalten übergeht, wenn die Schichtdicken unter 15 nm fallen. Im Zuge des Projekts wird eine systematische Studie des Bruch- und Ermüdungsverhaltens von dünnen MG-Filmen mit 4 verschiedenen Zusammensetzungen (PdSi, CuZr, AuSi, WNiB) und 7 verschiedenen Dicken durchgeführt. Mittels Elektronenmikroskopie werden die dickenabhängigen Mechanismen der Schadensbildung aufgedeckt. Basierend auf den experimentellen Ergebnissen wird mit Hilfe von Molekulardynamiksimulationen ein Modell zur Erklärung der beobachteten Phänomene entwickelt. Die MG, die in diesem Projekt untersucht werden, werden im Gegensatz zu mikromechanischen Versuchen durch eine industrielle Abscheidungstechnik (Magnetronsputtern) auf kommerziell erhältlichen Substraten hergestellt und alle Versuche werden bei Umgebungsbedingungen durchgeführt. Die Ergebnisse des Projekts haben daher ein großes Potenzial Einsatz in Anwendungen zu finden, wie für mechanisch robuste und zuverlässige Hartstoffschichten, für funktionelle Schichten in der Mikroelektronik oder für ultradünne und halbtransparente Leiter für flexible Elektronik.

Amorphe metallische Legierungen, die auch als metallische Gläser bezeichnet werden, verfügen über eine einzigartige Kombination von mechanischen Eigenschaften. So können metallische Gläser beispielsweise fester als Stähle und gleichzeitig so elastisch wie Polymere sein. Wenn jedoch die kritische mechanische Belastung erreicht ist, brechen metallische Gläser aufgrund des spezifischen und noch nicht gut verstandenen Phänomens der Scherbandbildung spröde. Das Ziel des aktuellen Projekts war eine eingehende Untersuchung der Scherbandbildung bei metallischen Dünnschichtgläsern, die auf Polymersubstraten abgeschieden wurden. Der besondere Fokus lag dabei auf Größeneffekte, d.h. der möglichen Veränderung des Verformungsverhaltens in Abhängigkeit von der Schichtdicke. Während des Projekts wurden neuartige amorphe Legierungen (z.B. die edle AgAuSi-Metallglasfamilie) entdeckt und die Korrelationen zwischen Legierungszusammensetzung und elektrischen sowie mechanischen Eigenschaften systematisch untersucht. Eine andere, im Zuge dieses Projekts untersuchte amorphe Legierung (WNiB), weist eine sehr hohe Härte (23 GPa) und eine hohe Elastizität (>2%) auf. Eine solche Kombination ist für kristalline metallische Legierungen unerreichbar. Die Verwendung von polymergestützten Filmen anstelle von freistehenden metallischen Glasproben ermöglichte die direkte Beobachtung von Größeneffekten, weil somit das gleiche mechanische Prüfverfahren auf den breiten Bereich von Filmdicken - von 7 nm bis 1000 nm - angewendet wurde. Die Veränderungen in der Morphologie von Rissen und Scherbändern sowie die erhebliche Ausbreitung der rissfreien Verformung ultradünner Filme wurden gut dokumentiert und durch die entwickelten Modelle erklärt. Obwohl metallische Gläser im Vergleich zu kristallinen Metallen schlechtere Stromleiter sind, wurde gezeigt, dass der elektrische Widerstand von metallischen Gläsern nicht mit abnehmender Schichtdicke zunimmt. Daher ist der Widerstand von metallischen Gläsern bei sehr dünnen Schichten (unter 10 nm) mit dem Widerstand ultradünner kristalliner Schichten vergleichbar. Der wichtigste Beitrag des Projekts liegt im grundlegenden Verständnis des Phänomens der Scherbandbildung. Auf Basis einer Reihe von speziell entwickelten In-situ-Experimenten wurde eine neue Theorie der Scherbandbildung entwickelt. Diese Theorie erklärt nicht nur die im Rahmen des Projekts gewonnenen experimentellen Beobachtungen, sondern ermöglicht auch die Lösungen von einigen langjährigen Kontroversen bei der Interpretation des mechanischen Verhaltens von metallischen Gläsern. Zusammenfassend können die wissenschaftlichen Fortschritte, die durch die Forschungsarbeiten im Rahmen des Projekts erzielt wurden, in zwei Gruppen eingeteilt werden: (i) Synthese neuer amorpher Legierungen und Nachweis der Veränderung ihrer Eigenschaften aufgrund von Größeneffekten und (ii) Formulierung des neuen Konzepts des Scherbandphänomens, das einen Paradigmenwechsel bei der Interpretation des Verformungsverhaltens metallischer Gläser nahelegt.