Freistehende Dünnschichten sind für die Funktionalität von Mikrosensoren und Mikroaktuatoren unverzichtbar. Jedoch sind ihre mechanischen Eigenschaften weitgehend unbekannt. Dies hat zwei Hauptursachen: zum einen erzeugen Dünnschichtsherstellungsverfahren wie die physikalische Gasphasenabscheidung (PVD) eine charakteristische Mikrostruktur, die sich deutlich von den Massivproben unterscheidet. Zum anderen treten bei kleinen Dimensionen sogenannte Größeneffekte auf, die zu weiteren Abweichungen führen. Beide Effekte bewirken, dass tabellarische Materialkennwerte nicht übertragen werden können. Daher ist eine gezielte experimentelle mechanische Charakterisierung unerlässlich, die jedoch mit erheblichen technischen Herausforderungen verbunden.

Als robusteste Messmethode hat sich der Bulge-Test bewährt. Dabei wird eine freistehende Schicht durch Gasdruck verformt. Der Vorteil dieser Methode liegt in der quantitativen Bestimmung des Spannungs-Dehnungs-Diagramms. In jüngerer Zeit wurde die Technik weiterentwickelt, um Verformungs- und Schädigungsmechanismen unter realistischen Einsatzbedingungen – etwa Ermüdung oder Kriechen bei erhöhten Temperaturen – zu untersuchen.

Zur qualitativen Untersuchung der Verformungsmechanismen haben sich in-situ-Verformungsexperimente im Transmissionselektronenmikroskop (TEM) etabliert. Obwohl die Methode aufwendiger ist, können dank der Durchstrahlung die Mikrostrukturveränderungen während der Belastung beobachtet und die zugrunde liegenden Verformungsmechanismen identifiziert werden.

In diesem Vortrag wird am Beispiel ca. 100 nm dicker Golddünnschichten veranschaulicht, wie neue Einblicke in die Duktilität und das Bruchverhalten der Materialien auf der Nanometerskala gewonnen werden konnten.

Referenzen
[1] B. Merle et al. (2011), Acta Materialia 59, 1772-1779
[2] E. Preiß et al. (2017) Materials Science and Engineering A, 691, 218-225
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[4] E. Preiß et al. (2019) Journal of Materials Research 34, 3483-3493
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[6] A. Krapf et al. (2024) Advanced Engineering Materials 26, 2400216