Production and characterization of shape memory films for microeletromechanical systems

Abstract

Shape memory alloys, namely NiTi, are unique materials with exceptional functional properties that have been rising interest and increased popularity over the last decades. They have the potential to unlock groundbreaking solutions in several development areas, such as microeletromechanical systems (MEMS), where these distinct alloys can solve complex challenges with simple applications. The main objective of this dissertation is to produce NiTi shape memory alloys in the form of films via two sputtering deposition strategies (NiTi target and pure Ti and Ni targets), while varying deposition parameters such as, pressure, power, time, and substrates’ rotation speed. The influence of these deposition parameters on the properties of monolithic and multilayer films was studied. For this purpose, several characterization techniques were used: Profilometry, Energy Dispersive X-ray Spectroscopy, Scanning Electron Microscopy, X-Ray Diffraction, Differential Scanning Calorimetry, and Nanoindentation. As the primary goal is the application of these films in MEMS, the desired functional property is superelasticity, and thus nickel-rich films are required. Upon completion of this thesis, several austenite crystalline superelastic films were produced with rather low heat treatment temperatures, in which the quantity of precipitates present was associated with the nickel content. Furthermore, among the films produced, some are superelastic with exceptionally high nickel content. In addition, it was possible to correlate the varied deposition parameters with the films’ chemical composition, specific morphological features, structure, and thermophysical and mechanical properties, providing advances in material science and microelectromechanical systems.

Ligas com memória de forma, nomeadamente NiTi, são materiais únicos com propriedades funcionais excecionais que têm despertado interesse e popularidade acrescida ao longo das últimas décadas. Estas têm o potencial de apresentar soluções inovadoras em várias áreas de desenvolvimento, sendo que estes materiais se distinguem quando aplicados em sistemas microeletromecânicos, onde podem resolver desafios complexos com aplicações simples. O objetivo desta dissertação é a produção de ligas de memória de forma de NiTi na forma de filmes a partir da técnica de pulverização catódica a partir de duas estratégias de deposição distintas (alvo NiTi ou alvos Ti e Ni independentes), variando parâmetros de deposição tais como a pressão, potência, tempo e velocidade de rotação. Foi estudado o impacto de várias combinações dos parâmetros de deposição. Com este intuito, várias técnicas de caracterização foram usadas: Perfilometria, Microscopia Eletrónica de Varrimento, Difração de Raios X, Espectroscopia de Raios X por Energia Dispersiva e Nanoindentação. Dada a meta principal ser a aplicação dos filmes em sistemas microeletromecânicos, a propriedade funcional desejada é a superelasticidade, sendo assim necessários filmes ricos em níquel. Após conclusão do trabalho, vários filmes austeníticos superelásticos foram produzidos com temperaturas de tratamento térmico relativamente baixas, sendo que a quantidade de precipitados presentes foi correlacionada com o teor de níquel. De entre os filmes produzidos, alguns têm teores de níquel excecionalmente elevados. Além disso, foi possível correlacionar os parâmetros de deposição com a composição química, morfologia específica, estrutura, propriedades termofísicas e propriedades mecânicas dos filmes, permitindo avanços no estudo da ciência de materiais e de sistemas microeletromecânicos.