Investigations of nanoindentation data obtained by the combination of normal and mixed (normal and lateral) forces

• Main Author: Molnár, Olena
• Other Authors: Richter, Frank
• Format: Doctoral Thesis
• Language: English
• Published: 2010
• Subjects: info:eu-repo/classification/ddc/500; ddc:500; Fließgrenze; Plastische Deformation; Effektiver Indentor; Elastische Deformation; Erweiterter Hertzscher Ansatz; Nanoindentation; Von-Mises-Spannung; intrinsische Spannung; kritische Lateralkraft; mechanische Eigenschaften
• Online Access: http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bsz:ch1-201000448; https://monarch.qucosa.de/id/qucosa%3A19295; https://monarch.qucosa.de/api/qucosa%3A19295/attachment/ATT-0/; https://monarch.qucosa.de/api/qucosa%3A19295/attachment/ATT-1/

Mechanische Eigenschaften, wie z.B. der Elastizitätsmodul oder die Fließspannung, sind wichtige Materialgrößen, um ein Material zu charakterisieren. Dies kann beispielsweise dazu dienen, ein Bauelement eines MEMS unter Berücksichtigung seiner Funktion zu optimieren. Daher ist es nötig, eine Messmethode zur Verfügung zu haben, die diese Größen auch in kleinen Dimensionen korrekt bestimmen kann, insbesondere auch in dünnen Schichten. Deshalb wurde ein eigenes Konzept basierend auf der Kombination von elastischer Modellierung und Nanoindentationsexperimenten in unserer Arbeitsgruppe entwickelt. Dieses Konzept beruht auf der Theorie der sphärischen Indentation in geschichtete Materialien (Image Load Method). In einem nächsten Schritt wurde dieser theoretische Ansatz erweitert, indem das Modell eines effektiven Indentors mittels des Erweiterten Hertzschen Ansatzes in das ursprüngliche Modell implentiert wurde. Zur gleichen Zeit wurden neue experimentelle Möglichkeiten entwickelt, die auf der Applikation einer definierten Lateralkraft in einem Indentationsexperiment beruhen. Bei der Auswertung dieser neuen experimentellen Methoden stellte sich heraus, dass die auf dem theoretischen Modell basierenden Fittingprozeduren einen subjektiven Faktor aufweisen, sodass je nach Nutzer der Auswertesoftware unterschiedliche Ergebnisse erhalten werden. Der Einfluss intrinsischer Spannungen auf Indentationsexperimente wurde ebenfalls bisher noch nicht systematisch untersucht. Daher ist es die Aufgabe dieser Arbeit, ebendiese offenen Fragen zu beantworten und die Methode der Nanoindentation weiter zu optimieren, um dieser Messmethode neue Anwendungsgebiete zu eröffnen. Die Untersuchungen zum Einfluss der intrinsischen Spannung auf die experimentell erhaltenen mechanischen Eigenschaften einer dünnen Schicht beinhalten ein Modellexperiment mit einer Formgedächtnislegierung (NiTinol), in welcher mittels einer eigens konstruierten Biegevorrichtung definierte biaxiale Spannungszustände eingestellt werden können. Dabei konnte gezeigt werden, dass die Berechnung des Von- Mises-Spannungsfeldes mit dem Wert der intrinsischen Spannung korrigiert werden kann, so dass das erhaltene Maximum der Von-Mises-Spannung dem tatsächlichen Wert der Fließspannung des Materials entspricht. In der vorliegenden Arbeit werden des Weiteren detaillierte Untersuchungen der Entlastungskurven von Referenzmaterialien (BK7-Glas) und geschichteten Materialien (CrN Schicht auf Si) durchgeführt, die auf Berkovich- Indentationsmessungen beruhen. Dabei wurde insbesondere die Auswerteroutine basierend auf dem Konzept des effektiven Indentors dahingehend weiterentwickelt, dass der bisherige subjektive Einfluss erheblich reduziert werden konnte. Diese generell anwendbare Auswerteroutine (d0-Fit) zeichnet sich vor allem durch ein hohes Maß an Nachvollziehbarkeit und Reproduzierbarkeit aus. Mit der gleichzeitigen Anwendung einer Normal- und einer Lateralkraft in einem Indentationsexperiment mit einem spitzen Indentor (Berkovich) ist es möglich, weitere Informationen über die mechanischen Eigenschaften der untersuchten Probe zu gewinnen. Dabei wurde eine kritische Lateralkraft gefunden, die der kritischen Normalkraft einer partiellen Be- und Entlastung mit sphärischen Indentoren analog ist. Hierbei konnte die Möglichkeiten sowie Grenzen demonstriert werden, die das Modell des effektiven Indentors mit dem erweiterten Hertzschen Ansatzes bei der Auswertung der erhalten Messkurven bereitstellt. Diese Untersuchungen mit den bereits erwähnten Referenzmaterialien haben den Charakter eines empirischen Ansatzes. === Mechanical parameters, such as Young’s modulus or yield strength, are important material properties to characterize a material. These parameters can be used to optimize a construction unit of a MEMS with respect to its function for example. Therefore a measurement technique is needed that allows the determination of such mechanical properties even at very small length scales and especially in thin films. To assess the mechanical properties at small length scales and/or layered structures an experimental approach based on nanoindentation measurements and corresponding elastic modeling was developed within our working group. This approach uses the elastic theory of spherical indentation in layered structures based on a potential theory (Image Load Method). In a next step this theoretical approach was extended with implementation of the concept of the effectively shape indenter employing an extended Hertzian approach. At the same time new experimental techniques were developed opening the possibility to apply well defined lateral loads to nanoindentation experiments accompanied with precise measurement of the lateral loads and displacements. The theoretical model bases on fitting procedures of the experimentally obtained curves. During the evaluation of this new experimental nanoindentation approach a subjective factor within the fitting procedures was found, so that depending on the user different results can be derived. Furthermore the influence of intrinsic stresses on the nanoindentation data was not investigated systematically so far. The task of this work is therefore the answering of these open questions and to optimize the method of nanoindentation to open new application possibilities for this new nanoindentation approach. The investigations of the influence of the intrinsic stress on experimentally obtained mechanical properties of a thin film bases on a model experiment with a shape memory alloy (NiTinol). With the help of special designed bending device biaxial stress state can be induced in this material. It was shown that the calculation of the von Mises stress field can be corrected with the value of the intrinsic stress so that the obtained maximum of the von Mises stress corresponds to the yield strength of the material. Moreover it was shown that the onset of phase transformation from austenite to martensite under indentation loads corresponds to the von Mises stress criterion. In the present work detailed analysis of the unloading curves obtained with Berkovich nanoindentation on reference materials (BK7 borosilicate glass) and layered materials (CrN on Si substrate) was performed. The evaluation procedure was refined with respect to the subjective factor. The found procedure (d0-fit) is applicable in a general way and is characterized by a high degree of traceability and reproducibility. Using mixed loading conditions with a normal and a lateral load application at the same time with a sharp indenter (Berkovich) further information on the mechanical characteristics of a material can be derived. A critical lateral force (CLF) was found which is analogous to the critical normal force in loading-partial unloading indentation with spherical indenters. During this investigation the possibilities as well as the limitations of the theoretical model based on the effectively shaped indenter together with the extended Hertzian approach for the analysis of experimentally obtain unloading curves was shown. It should be noted that these investigations with reference materials have empirical character.