André Zeckzer

Anisotropie der Versetzungsnukleation in Galliumarsenid bei Nanoindentierung

Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades doctor rerum naturalium (Dr. rer. nat.) vorgelegt an der Mathematisch-Naturwissenschaftlich-Technischen Fakultät der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg
verteidigt am 14.06.2002

Abstract
Mit der Durchführung von registrierenden Kontaktexperimenten mit Kraft- und Eindringtiefenauflösungen im Bereich von 10-6 N und 10-9 m können versetzungsfreie Bereiche von Kristallen lokal mit hohen Spannungen belastet werden. Dadurch ist es möglich den Prozess der homogenen Versetzungsnukleation zu aktivieren, der sich beim Eindruckversuch durch einen plötzlichen in der Literatur als Pop-In-Effekt bezeichneten Eindringtiefensprung äußert. In dieser Arbeit wurde die Abhängigkeit dieses Prozesses von der Kristallorientierung untersucht, wozu ein Modell erarbeitet wurde, welches der Richtungsabhängigkeit der elastischen und plastischen Materialeigenschaften von kubischen Systemen beim Eindruckexperiment Rechnung trägt. Es konnte gezeigt werden, dass dieses Modell die durchgeführten Experimente an GaAs in den Orientierungen (001), (111), und (101) sowohl qualitativ als auch quantitativ beschreibt. Die erzeugten Defektstrukturen, die kurz nach Einleitung des Pop-In-Effektes vorliegen, wurden transmissionselektronenmikroskopisch abgebildet und konnten mit den kontaktinduzierten Spannungsverteilungen begründet werden. Es wurden Indizien gefunden, wonach die Versetzungsbewegung in GaAs unter den vorhandenen Versuchsbedingungen (Raumtemperatur, hoher Druck) durch einen Mechanismus erfolgt, wie er bisher durch Untersuchung mit konventionellen Techniken (z.B. einaxialer Zug), die höhere Temperaturen erfordern, nicht beobachtet wurde.

Depth sensitive hardness measurements with force and displacement resolutions of 10-6 N and 10-9 m (range of nanoindentation) allow the producing of localised high stresses in dislocation free regions. This makes it possible to activate the process of homogeneous dislocation nucleation. In the measurement data (load versus displacement) it is characterized by a clear and sudden displacement jump, which is called "pop in effect" in literature. In the present work the anisotropy of this effect was investigated. To do this an analytical model was developed to describe the elastic contact with respect to the anisotropic elastic and plastic material properties of cubic systems. It was shown, that this model describes qualitatively and quantitatively the indentation experiments on GaAs wafers in (001), (111), and (101) surface orientations. The produced defect structures (dislocation rosettes) in the state near the "pop in effect" were imaged by transmission electron microscopy for all surfaces orientations. The structure of the dislocation rosettes were explained by the stress distribution of the shear stresses acting on the slip systems. It was found, that the mechanism of dislocation movement at the present experimental conditions (room temperature, high stresses) is different from that, which is observably with conventional investigation techniques, which require higher temperatures (more than about 450 C).

Keywords:
Nanoindenter, homogene Versetzungsnukleation, Kernradius, Pop-In-Effekt, theoretische Festigkeit, Härte, GaAs, Anisotropie, Versetzungen, TEM

Nanoindenter, homogeneous dislocation nucleation, core radius, pop-in effect, theoretical elastic limit, hardness, GaAs, anisotropy, dislocations, TEM

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Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung (1-2)
2 Theoretische Grundlagen (3-30)
3 Probenmaterial und Experimentelles (31-38)
4 Charakteristika des Pop-In-Effektes (39-40)
5 Modell der homogenen Versetzungsnukleation in anisotropen kubischen Einkristallen (41-49)
6 GaAs im anisotropen Modell des Pop-In-Effektes (50-71)
7 Experimentelle Ergebnisse und Diskussion (72-90)
8 Zusammenfassung (91-94)
9 Literaturverzeichnis (95-100)
Anhang (I-IV)