Wiederholung: Duktilität

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1 Wiederholung: Duktilität Bulkmaterial: prozentuale Bruchdehnung ε b lz l0 εb = l Dünne Schicht: 3-Punkt-Biegetest 0 l Z = Länge der Probe nach dem Bruch l 0 = Länge der Probe vor dem Bruch ε B = Bruchdehnung in % Risse ε B 100d 2R + d d = Schichtdicke R = Krümmungsradius bei beginn der Rissbildung

2 Wiederholung: Mikrohärte Definiert durch die zurückbleibende Verformung in einem Material bei eindringen eines unverformbaren Prüfkörpers. Prüfkörpermaterial: + Diamant Prüfkörpergeometrien: + Vickers: Pyramide mit Diagonae:Höhe von 1:7 + Knoop: dreiseitige Pyramide + Rockwell: Kugel + Langgezogene Schneide Prüflasten: N

3 Wiederholung: Nanoindenter Der Nanoindenter ermöglicht auch eine Bestimmung der elastischen Verformbarkeit (d. i. des E-Moduls) eines Festkörpers. Kraft belasten E-Modul entlasten Generell ist bei der Härteprüfung an dünnen Schichten darauf zu achten, dass die Eindringtiefe des Prüfkörpers maximal 1/3 der Schichtdicke beträgt. Nur dann kann ein Einfluss des Substrates ausgeschlossen werden Restverformung Eindringtiefe

4 Wiederholung: zerstörungsfreie Härtemessung Hertz scher Kontakt: Wirkung einer Punktkraft auf eine ideal elastische Halbebene: z F w(r)=f(f,g, ν) w(r) entspricht der Eindringtiefe eines Prüfkörpers in den Festkörper. G und ν resultieren aus den elastischen Konstanten des Festkörpers: 0 w(r) G...Schubmodul ν...querkontraktionszahl r G ν= = c 44 c12 2( c + c ) 44 12

5 Wiederholung: akustische Oberflächenwellen Anregung longitudinaler und transversaler Oberflächenmoden durch definierten Laserpuls: Piezoelektr. Transducer Laserpuls zu t 0 Oberflächenwellenpaket Aus der Laufzeit des Wellenpaketes wird die Schallgeschwindigkeit bestimmt. Daraus folgen die elastischen Konstanten. Die Anregung von Oberflächenwellen erlaubt die Anwendung des Prinzipes auf dünne Schichten.

6 Wiederholung: Ortsauflösung Mit Hilfe der Rasterkraftmikroskopie können folgende mechanische (Oberflächen-) Eigenschaften im Nanometerbereich ortsaufgelöst bestimmt werden: + Elastizitätsmodul + Härte + Adhäsionskraft Dies gelingt mit Hilfe der sogenannten Kraftspektroskopie.

7 Wiederholung: Kraft-Abstandskurven a/b: Annäherung b/c: Snap-on c/d: Repulsiver Bereich d/f: Rückzug e: Nulldurchgang f/g: Ablösung der Spitze g/h: Kräftefreier Rückzug

8 Wiederholung: Kraftspektroskopie Wiederholte Kraft/Abstandskurven wähernd AFM-Scan mit elektronischer Auswertung: Kraft-Abstandskurve: Polymerketten: Topographie free cantilever oscillation Adhäsion Steifigkeit

9 Wiederholung: Artefakte beim AFM Wesentliches Artefakt in der Kraftspektroskopie: Ausbildung eines Wassemeniskus zwischen Spitze und Oberfläche unter normalen Atmosphärenbedingungen AFM-Spitze Wasser-Meniskus Vorbeugende Massnahmen: + Arbeiten unter trockenem Stickstoff + Flüssigkeit + Inertgas + Hochvakuum Der Meniskus verfälscht aufgrund der hohen Oberflächenspannung von Wasser insbesondere die Werte für die Adhäsion Spitze/Oberfläche

10 Elektronische Eigenschaften Die Eigenschaften des elektronischen Systems eines Materiales haben Einfluss auf: + Leitfähigkeit + Optische Eigenschaften + Magnetische Eigenschaften + Adsorption und Adhäsion Diese Eigenschaften werden bei Dünnschichtsystemen auch noch durch das hohe Verhältnis von Oberfläche zu Volumen modifiziert.

11 Bindungstypen I Das elektronische System eines Materials ist eine direkte Konsequenz der chemischen Bindungstypen: Achtung: 100kJ bedeutet: 100kJ/Mol 1eV!

12 Bindungstypen II Kovalente (Atom-) Bindung: Übergang ionisch! kovalent:

13 Bindungstypen III Für Festkörper relevant sind: + Ionische (heteropolare) Bindung + Kovalente Bindung + Metallische Bindung Ionisch: Elektronen stark lokalisiert Metallisch: Elektronen delokalisiert Bindungen in Festkörpersystemen sind wesentlich von deren Vielteilchencharakter geprägt!

14 Metalle Übergang Einteilchensystem! Vielteilchensystem: Einzelatom Mehrteilchensystem Festkörper

15 Halbleiter Halbleiter bilden die Übergangsstufe von kovalenter zu metallischer Bindung. Sie sind mittels des Bändermodelles beschreibbar:

16 Elektronische Bauteile und dünne Schichten Mittels Dünnschichttechnologie können folgende elektronische Bauteie realisiert werden: + Leiterbahnen + Dünnschichtwiderstände + Kondensatoren Metall Isolator Halbleiter, Dotierung A Halbleiter, Dotierung B + Dioden + Transistoren + MOSFETS

17 Elektrische Leitfähigkeit von Metallen Makroskopische Beschreibung: Ohm sches-gesetz I = U R l = Strom U = Spannung R = Widerstand Mikroskopische Beschreibung: Drude-Gesetz r j = ne τ 2m e r E 2 r = σ E j = Stromdichte E = E-Feld σ = Leitfähigkeit n = Ladungsträgerzahl e = Elementarladung m e = Elektronenmasse τ = mittlere Stosszeit

18 Flächenwiderstand Geometrie und elektrischer Widerstand: R = ρ l d b ρ = Spezifischer Widerstand Eine wichtige Kenngrösse in der Dünnschichttechnik ist der Flächenwiderstand: bei l=b (quadratische Grundfläche) gilt R=R " = d ρ unabhängig von der Grösse des Quadrates.

19 Messung des Flächenwiderstandes Vierpunktmethoden: linear quadratisch R " = U 4,532 R I " = 9,06 U I + Der Elektrodenabstand muss viel kleiner als die Schichtfläche sein. + Vorfaktoren resultieren aus der Elektrodengeometrie. + Vierpunktsonden werden üblicherweise kalibriert.

20 Theorie der Leitfähigkeit Drude-Theorie: r j = ne τ 2m e r E 2 r = σ E j = Stromdichte E = E-Feld σ = Leitfähigkeit n = Ladungsträgerzahl e = Elementarladung m e = Elektronenmasse τ = mittlere Stosszeit Der zentrale Punkt der Drude-Theorie ist die Mittlere Stosszeit τ

21 Die mittlere Stosszeit Die mittlere Stosszeit τ errechnet sich aus der "Matthiessen-Regel": 1 τ = 1 τ G + 1 τ K + 1 τ V +... τ G = Streuung an Gitteratomen τ K = Streuung an Korngrenzen τ G = Streuung an Verunreinigungen Wesentlich für die Grösse der Leitfähigkeit ist also die Art und die Anzahl der Defekte, an denen Elektronen gestreut werden. Auch Grenzflächen jeder Art stellen Defekte dar. Damit ergibt sich automatisch die Abhängigkeit der Leitfähigkeit von der Schichtdicke!