Mikrostruktur und Phasenbildung hochorientierter TiNiCu- und NiMnAl-Formgedächtnisschichten, hergestellt mittels Molekularstrahl-Epitaxie

Abstract

Im Rahmen dieser Arbeit wurden dünne Formgedächtnisschichten mittels Molekularstrahl-Epitaxie (MBE) hergestellt und hinsichtlich ihrer Mikrostruktur und Transformationseigenschaften systematisch analysiert. <br /> Hierbei wurde zum einen das System TiNiCu als Vertreter der konventionellen Formgedächtnislegierungen, zum anderen das System NiMnAl, das zu der neuen Klasse der ferromagnetischen Formgedächtnislegierungen gehört, untersucht. Neben der Herstellung von homogenen Schichten mit definierter Zusammensetzung wurde auch ein kombinatorischer Ansatz verfolgt. Hierbei wurden Gradientenschichten hergestellt, bei denen die Konzentrationen der einzelnen Elemente um etwa 1 at%/cm über das Substrat variieren. Auf diese Weise wurden Proben hergestellt, auf denen Austenit- und Martensitphase bei Raumtemperatur koexistent sind, so dass die Phasengrenze genauer analysiert werden konnte. Desweiteren wurden temperaturabhängige mechanische Spannungsmessungen durchgeführt, um die Transformationseigenschaften der Schichten zu untersuchen. Es wurden die Übergangstemperaturen der martensitischen Transformation, die Hysteresebreite und die Spannungsdifferenz zwischen Austenit- und Martensitphase (Spannungshub) bestimmt. Dies sind wichtige Parameter, die entscheidend sind für den Einsatz dieser Materialien in Anwendungsgebieten der Aktorik und Sensorik. Durch Querschliff-TEM Untersuchungen der NiMnAl-Schichten konnte die Koexistenz zweier Martensitphasen (M2 und M14) nachgewiesen werden, die in dieser Form bisher noch nicht beobachtet worden sind. Das Phasengefüge liegt in mesoskopisch-periodischer Anordnung vor, wobei die M14-Phase eine langperiodische shuffling-Struktur aufweist. <br /> Röntgenbeugungsmessungen, die mit Hilfe eines Flächendetektors durchgeführt wurden, zeigen, dass sich in den Formgedächtnisschichten eine besonders hohe Vorzugsorientierung einstellt. Bemerkenswert ist hierbei, dass sich diese ausgeprägte Orientierung auf einem amorphen, ungeordneten Substrat ausbildet. Für das NiTiCu-System wurde anhand der Analyseergebnisse ein Reaktionsschema entwickelt, welches, aufbauend auf der Ausbildung einer Phasensequenz während der Kristallisation, die Entstehung dieser hohen Orientierung erklärt. <br /> Die Grundidee dieses Modells konnte auf das NiMnAl-System übertragen werden und auch hier die hohe Orientierung erklären. Zusätzlich wurden NiMnAl-Filme auf einkristalline Substrate aufgewachsen, wobei gezeigt werden konnte, dass abhängig von der Unterlage rein epitaktisches Wachstum oder eine gestörte Epitaxie auftritt.