In order to continuously extend material applications into reduced scales, a number of researches is ongoing to understand the material behaviors in smaller scale regimes. In particular, Nickel-Titanium (Ni-Ti) shape memory alloy is one of the materials that is already widely used in many bulk scale applications, and is still currently attracting numerous interests for small-scale applications. However, integration of this material in the form of thin films is still deemed difficult due to its high compositional sensitivity and the dependency of its properties towards different fabrication methods. Hence, combinatorial high-throughput experiments have been utilized to identify the optimum parameters required in order to fabricate desirable samples. The currently available combinatorial highthroughput approaches utilized in evaluating the mechanical properties are mostly focused on nanoindentations and cantilever beams, but there possesses a need to understand the pure mechanical response of the material itself when subjected to tensile deformation. In this study, membrane deflection experiment was performed with the compositional-spread technique to investigate the mechanical properties of Ni-Ti thin films with submicron thicknesses. The mechanical behaviors of sputter-deposited freestanding Ni-Ti thin films of compositions and thicknesses ranging from 45.7 at. % – 52.7 at. % Nickel and 270 – 530 nm were evaluated. The compositional and microstructural correlations of the initial elastic modulus, transformation stress, recoverable strain, and hysteresis area were observed and cross examined with reported works in literatures. With the results obtained, the compositional ratio of Ni-Ti can then be tailored accordingly based on the requirements of different mechanical responses. In addition, efforts in integrating the high-throughput methodology into the membrane deflection experiment will be demonstrated in the later part of this study.
니켈-티타늄 (Ni-Ti) 형상기억합금 재료는 이미 다양한 벌크 스케일에서 연구가 진행되어 현재 여러 산업에서 응용되고 있으며, 최근에는 마이크로 또는 나노 스케일 분야에서도 많은 관심을 받고 있다. 형상기억합금은 일반적으로 높은 조성 민감도를 가지며 제작 방법에 많은 영향을 받기 때문에, 박막 형태로 사용되기 위해서는 독립적인 재료 특성에 대한 연구가 요구되므로 아직 실제 산업에 적용하기에는 한계가 있다. 기존에는 적합한 형상기억합금 박막의 제작 조건을 찾기 위해 나노압입시험 또는 마이크로 외팔보 시편을 활용한 조합 실험이 사용되어왔으나, 인장 물성을 구하는 방법으로는 적합하지 않다는 단점이 존재한다. 따라서, 본 연구에서는 띠 굽힘 시험 및 조성시험을 통한 수백 nm 두께의 Ni-Ti 형상기억합금 박막의 고효율(High-throughput) 인장 특성 평가 방법을 제안하였다. MEMS 공정을 통해 제작된 띠굽힘 배열 시편을 이용하여 45.7 at. % - 52.7 at. % Nickel 조성 및 270 – 530 nm 두께의 Ni-Ti 박막 굽힘 시험을 진행하였다. 조성 별 박막의 기계적 특성은 나노인덴터를 활용하여 시편 배열을 반복적으로 빠르게 측정될 수 있도록 구성하였다. 측정된 Ni-Ti 박막의 기계적 특성은 기존 연구 결과와 비교하여 본 실험 방법의 유효성을 검증하였다.
