Festkörper- und selbstfortschreitende Reaktionen in Multilagen zur RuAl-Dünnschichtsynthese

Abstract

Die Kombination aus guten Hochtemperatureigenschaften, hoher Raumtemperaturduktilität, stark exothermer Synthesereaktion und Existenz bei Nicht-Stöchiometrie positioniert die intermetallische Phase RuAl im Anwendungsfeld von thermischen Schutzschichten und des Reaktivfügens. Die einphasige RuAl-Dünnschichtsynthese ist bislang noch nicht erforscht. Festkörperphasenumwandlungen und selbstfortschreitende Reaktionen in äquiatomaren Ru/Al-Multischichten werden daher erstmals grundlegend charakterisiert. Möglichkeiten der Umwandlungs- und Reaktionskontrolle durch die Doppelschichtdicke (Periode) werden aufgezeigt. Die Festkörperreaktion beginnt bei 150 °C mit einer Al-dominierten Interdiffusion an den Grenzflächen. Oberhalb von 300 °C werden periodenabhängig maximal vier Umwandlungen durchlaufen. Optimal ist die RuAl-Dünnschichtsynthese für Perioden < 22 nm. Zum ersten Mal wird diese abgeleitet, sowie die Umwandlungskinetik und der Mikrostruktureinfluss quantifiziert. Die selbstfortschreitenden Reaktionen erlauben ebenfalls die einphasige Dünnschichtsynthese. Periodenunabhängig liegt eine einstufige Umwandlung an fest(Ru)/flüssig(Al)-Grenzflächen vor. Eine maximale Reaktionsgeschwindigkeit und -temperatur von 10,9 m/s beziehungsweise 1946 °C zeigen erstmalig die höhere Energiedichte gegenüber kommerziellen Ni/Al-Schichten. Das reaktive Bonden mit Ru/Al-Multischichten verspricht dadurch einen technologischen Fortschritt bei der stetigen Miniaturisierung in der Mikrosystemtechnik.

The combination of good high temperature properties, unusual room temperature ductility, a highly exothermic synthesis reaction and non-stoichiometry positions the intermetallic phase RuAl in the application fields of thermal protection layers and reactive bonding. Since the single-phase thin-film synthesis of RuAl has yet to be explored, the solid-state phase transformations and self-propagating reactions in equiatomic Ru/Al multilayers are fundamentally characterized for the first time. The different options to control the transformations and reaction throughout the bilayer thickness (period) are shown. The solid-state transformation begins at 150 °C with an Al-dominated interdiffusion at the interfaces. Above 300 °C a maximum of four transformations are active depending on the period. The RuAl thin film synthesis is optimal for periods < 22 nm. This parameter as well as the transformation kinetics and the microstructure influence have been quantified for the first time. The self-propagating reactions also allow the single-phase thin-film synthesis where one-stage transformations at solid Ru/liquid Al interfaces occur regardless of the period. First ever maximum reaction rates and temperatures of 10.9 m/s and 1946 °C, respectively, reveal the superior energy density compared to commercial Ni/Al layers. Ru/Al multilayer reactive bonding is thus a promising technological advance in the context of an ongoing miniaturization in microsystems technology.