Spannungen, Dehnungen und Lage der Phasengrenzen in dünnen Nb- und Y-Schichten bei Wasserstoffbe- und -entladung
Stresses, strains and position of phase boundaries in thin Nb- and Y-films during H-loading and -unloading
von Martin Dornheim
Datum der mündl. Prüfung:2002-05-22
Erschienen:2002-07-17
Betreuer:Prof. Dr. Astrid Pundt
Gutachter:Prof. Dr. Reiner Kirchheim
Gutachter:Prof. Dr. Wolfgang Felsch
Dateien
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Format:PDF
Description:Dissertation
Zusammenfassung
Englisch
In this work the influence of the stresses induced by hydrogen loading on the position of phase boundaries in niobium and yttrium thin films is studied. The films were loaded with hydrogen electrochemically. The hydrogen concentration was calculated by use of Faraday"s law. The stresses were measured using an optical beam deflection setup. The strains and the position of the phase boundaries were determined in situ during hydrogen (un-)loading at the synchrotron. The results were compared to a one-dimensional linear elastic model using bulk elastic constants and bulk hydrogen induced expansion data. The measurements on epitactic niobium thin films of different thicknesses and on nanocrystalline niobium thin films on thin polymer film substrates in comparison to nanocrystalline films on silicon substrates showed a strong correlation between the hydrogen induced stresses and the shift of phase boundaries in these thin films. Measurements on yttrium thin films however revealed only small stresses built up by hydrogen loading and unloading. Additionally performed synchrotron measurements could show that there is in contrast to the literature no significant shift of phase boundaries compared to the bulk yttrium-hydrogen system.
Keywords: Thin films; hydrogen; niobium; yttrium; stresses; strains; phase diagram
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In dieser Arbeit wurde der Einfluss von Spannungen auf die Lage der Phasengrenzen in dünnen Niob- und Yttriumfilmen bei der Wasserstoffbeladung untersucht. Die Wasserstoffbe- und -entladung erfolgte elektrochemisch, so dass es möglich war, die Wasserstoffkonzentration mit dem Faradayschen Gesetz zu berechnen. Die Spannungen in den Filmen wurden mittels einer optischen Biegebalkenmessapparatur bei Wasserstoffbe- bzw. -entladung gemessen. Die Dehnungen und die Position der Phasengrenzen wurden mittels Pulverdiffraktometrie in situ bestimmt. Die Ergebnisse wurden mit einem eindimensionalen linearelastizitätstheoretischen Modell unter der Annahme, dass nur eindimensionale Ausdehnung möglich ist und unter Verwendung der elastischen Konstanten von massivem Niob und massivem Yttrium sowie der wasserstoffinduzierten Ausdehnung der massiven Materialien verglichen. Anhand von Messungen an epitaktischen Niob-Schichten unterschiedlicher Schichtdicke und nanokristalliner Niob-Schichten auf dünnen Polymerfilmen im Vergleich zu Schichten auf Silizium-Substraten konnte ein direkter Zusammenhang zwischen den bei Wasserstoff-beladung entstehenden Spannungen und der Verschiebung der Phasengrenzen aufgezeigt werden. Messungen an Yttrium-Schichten bei Wasserstoffbe- und -entladung zeigten in Übereinstimmung mit dem Modell nur einen geringen Spannungsanstieg. In in situ bei der Wasserstoffbe- und -entladung durchgeführten Synchrotronmessungen konnte gezeigt werden, dass Literaturangaben über die Lage der Phasengrenzen in dünnen Yttrium-Filmen bei Wasserstoffbe- und -entladung falsch sind und kein signifikanter Unterschied in der Lage der Phasengrenzen bei Wasserstoffbeladung im Vergleich zu massivem Yttrium auftritt.
Schlagwörter: Dünne Schichten; Wasserstoff; Niob; Yttrium; Spannungen; Dehnungen; Phasendiagramm