Characterization of NiTi SMA Thin Film by Temperature Dependent X-Ray Diffraction and Identification of Phases

Abstract

Thin film shape memory alloy which is strongly relevant with the fabrication of the micro electro mechanical systems is one of the hot research topic in last decades. Among the investigated shape memory alloys, NiTi is stepping forward by the thermos-elastic features it has. In order to understand their physical properties, several characterization methods have been used by the researchers. In this study, a NiTi thin film that is deposited on a Si substrate is characterized by an X-Ray Diffraction under gradually evolving testing temperatures. The examination is performed between -125°C and 125°C. Two stoichiometrically different samples (at room temperature, one of them is martensite rich and the other is austenite rich) are tested and the phase transformation temperatures are determined (martensite and austenite start and finish temperatures) during the experiments. Furthermore, by using the direct comparison method, the martensite volume fraction is determined with regard to temperature.

several characterization methods have been used by the researchers. In this study, a NiTi thin film that is deposited on a Si substrate is characterized byseveral characterization methods have been used by the researchers. In this study, a NiTi thin film that is deposited on a Si substrate is characterized by

Keywords

• Shape Memory Alloy,NiTi Thin Film,X-Ray Diffraction

Ni-Ti Akıllı Alaşım İnce Filmin Sıcaklığa Bağlı X-Ray Kırınımı ile Karakterizasyonu ve Faz Dönüşümü Tespiti

Abstract

Günümüzün popüler konularından olan ince film akıllı alaşımlar, her geçen yıl ihtiyaç ölçüsünde daha da küçülen mikro elektromekanik sistemlerdir. Bu alaşımlardan NiTi ince film, sahip olduğu termoelastik özellikler sayesinde yaygın olarak tercih edilmektedir. Depolanan bu filmlerin fiziksel özelliklerinin anlaşılabilmesi için birçok karakterizasyon yöntemi mevcuttur. Bu çalışmada silikon altlık üzerine depolanmış Nikel-Titanyum ince filmin faz dönüşümü sıcaklığa bağlı X-Ray kırınımı ile incelenmiştir. İncelenen sıcaklık aralığı -125°C ile 125°C olarak alınmıştır. Stokiyometrik olarak birbirinden farklı iki NiTi örneği (oda sıcaklığında biri austenit diğeri martensit oranları daha yüksek olan) incelenmiş ve her bir filmin faz dönüşüm sıcaklıkları (austenit başlangıç ve bitiş, martensit başlangıç ve bitiş) tespit edilmiştir. Direkt karşılaştırma yöntemi kullanılarak işlem esnasındaki martensit hacim oranı sıcaklığa bağlı olarak elde edilmiştir.

Keywords

• Şekil hafızalı alaşım,NiTi ince film,X-Işınımı Kırınımı

References

1. [1] Miyazaki, S. & A. Ishida. (1999). Martensitic transformation and shape memory behavior in sputter-deposited TiNi-base thin films. Materials Science and Engineering: A, 273-275, 106-133.
2. [2] Fu, Y., H. Du, W. Huang, S. Zhang & M. Hu. (2004). TiNi-based thin films in MEMS applications: a review. Sensors and Actuators A: Physical, 112(2-3), 395-408.
3. [3] Kahn, H., M.A. Huff & A.H. Heuer. (1998). The TiNi shape-memory alloy and its applications for MEMS. Journal of Micromechanics and Microengineering, 8(3), 213-221.
4. [4] Çakmak, Ö. & M. Kaya. (2017). Akıllı Malzeme Şekil Hafızalı Alaşımların Termodinamiği. Nevşehir Bilim ve Teknoloji Dergisi, 6(2), 541-555.
5. [5] Kaya, M. (2008). Toz metalurjisi ile üretilen NiTi şekil hatırlamalı alaşımların metalurjik ve mekanik karakteristiklerinin incelenmesi. Doktora Tezi, Fırat Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Elazığ.
6. [6] Kaya, M., Ö. Çakmak, T.Y. Saygılı & K.C. Atlı. (2016). Şekil hafızalı alaşımlarda martensitik faz dönüşümü ve şekil hafıza mekanizması. Selçuk Teknik Dergisi, 15(3).
7. [7] Fu, Y., W. Huang, H. Du, X. Huang, J. Tan & X. Gao. (2001). Characterization of TiNi shape-memory alloy thin films for MEMS applications. Surface and Coatings Technology, 145(1-3), 107-112.
8. [8] Shih, C.L., B.K. Lai, H. Kahn, S.M. Phillips & A.H. Heuer. (2001). A robust co-sputtering fabrication procedure for TiNi shape memory alloys for MEMS. Journal of Microelectromechanical Systems, 10(1), 69-79.

9. [9] Liu, Y.S., D. Xu, B.H. Jiang, Z.Y. Yuan & P.V. Houtte. (2005). The effect of crystallizing procedure on microstructure and characteristics of sputter-deposited TiNi shape memory thin films. Journal of Micromechanics and Microengineering, 15(3), 575-579.
10. [10] Mohri, M., M. Nili-Ahmadabadi & V.S.K. Chakravadhanula. (2015). Crystallization study of amorphous sputtered NiTi bi-layer thin film. Materials Characterization, 103, 75-80.
11. [11] Tillmann, W. & S. Momeni. (2015). In-situ annealing of NiTi thin films at different temperatures. Sensors and Actuators A: Physical, 221, 9-14.
12. [12] Sanjabi, S., M. Naderi, H.Z. Bidaki & S.K. Sadrnezhaad. (2009). Characterization of Sputtered NiTi Shape Memory Alloy Thin Films. Scientia Iranica - International Journal of Science and Technology, 16(3), 248-252.
13. [13] Hou, H., R.F. Hamilton & M.W. Horn. (2016). Narrow thermal hysteresis of NiTi shape memory alloy thin films with submicrometer thickness. Journal of Vacuum Science & Technology A: Vacuum, Surfaces, and Films, 34(5).
14. [14] Makino, E., M. Uenoyama & T. Shibata. (1998). Flash evaporation of TiNi shape memory thin film for microactuators. Sensors and Actuators A: Physical, 71(3), 187-192.
15. [15] Koker, M.K.A., J. Schaab, N. Zotov & E.J. Mittemeijer. (2013). X-ray diffraction study of the reverse martensitic transformation in NiTi shape memory thin films. Thin Solid Films, 545, 71-80.
16. [16] Cullity, B.D. (1978). Elements of X-Ray Diffraction, Second ed. Addison-Wesley Publishing Company, Inc., Reading, MA, 102.