Nanoindentation response of single crystal copper films on sapphire

Dünne Schichten haben eine entscheidende Rolle in den heutigen technischen Anwendungen inne. Es ist daher notwendig die mechanischen Eigenschaften von Dünnschichten eindeutig zu bestimmen, um sie weiterhin effizient einsetzen zu können. Nanoindentation ist die verbreitetste Instrumentierung, um Dünnschichten zu charakterisieren und wird hauptsächlich für die Bestimmung von Härte und E-Modul verwendet. Die Methode nach Oliver und Pharr wird seit 1992 als Standard zur Ermittlung ebenjener anerkannt. Sie liefert korrekte Werte für unbeschichtete Grundmaterialien, weist allerdings gravierende Schwächen bei der Untersuchung von dünnen Schichten auf Substraten auf. Der weit verbreiteten "10-%-Regel", also die Bestimmung korrekter Werte solange die Indentierungstiefe 10 % der Schichtdicke nicht überschreitet, wird weitestgehend Gültigkeit zugesprochen. Viele Studien bezweifeln allerdings deren Richtigkeit, da die "10-%-Regel" keine verlässlichen Resultate liefert und somit hinterfragt werden muss. Diese Arbeit konzentriert sich auf die Nanoindentierung von einkristallinen (111) Cu Schichten auf einkristallinem (0001) Al2O3-Substrat. Die Materialantwort wird in Abhängigkeit des Spitzenradius des Indenters, der Schichtdicke und der auferlegten Last bestimmt. Darüber hinaus werden die Härte und der E-Modul gemessen, deren Resultate werden überprüft und Korrekturen angebracht, um zu sehen, ob sich dadurch korrekte Werte ergeben. Es wird gezeigt, dass die "10-%-Regel" nur für die Härtebestimmung verwendet werden darf und dass der E-Modul für dünne Schichten mit einer Schichtdicke kleiner als 300 nm nicht bestimmt werden kann.