Efficient substrates for surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS) are under constant development, since time-consuming and costly fabrication routines are often an issue for high-throughput spectroscopy applications. In this research, we use a two-step fabrication method to produce self-organized parallel-oriented plasmonic gold nanostructures. The fabrication routine is ready for wafer-scale production involving only low-energy ion beam irradiation and metal deposition. The optical spectroscopy features of the resulting structures show a successful bidirectional plasmonic response. The localized surface plasmon resonances (LSPRs) of each direction are independent from each other and can be tuned by the fabrication parameters. This ability to tune the LSPR characteristics allows the development of optimized plasmonic nanostructures to match different laser excitations and optical transitions for any arbitrary analyte. Moreover, in this study, we probe the polarization and wavelength dependence of such bidirectional plasmonic nanostructures by a complementary spectroscopic ellipsometry and Raman spectroscopy analysis. We observe a significant signal amplification by the SERS substrates and determine enhancement factors of over a thousand times. We also perform finite element method-based calculations of the electromagnetic enhancement for the SERS signal provided by the plasmonic nanostructures. The calculations are based on realistic models constructed using the same particle sizes and shapes experimentally determined by scanning electron microscopy. The spatial distribution of electric field enhancement shows some dispersion in the LSPR, which is a direct consequence of the semi-random distribution of hotspots. The signal enhancement is highly efficient, making our SERS substrates attractive candidates for high-throughput chemical sensing applications in which directionality, chemical stability, and large-scale fabrication are essential requirements.

Metal-Oxide-Silicon Field-Effect-Transistors with a layer of electrically isolated Si nanocrystals (NCs) embedded in the gate oxide are known to improve conventional floating gate flash memories. Data retention, program and erase speeds as well as the memory operation voltages can be substantially improved due to the discrete charge storage in the isolated Si NCs. Using ion beam synthesis, Si NCs can be fabricated along with standard CMOS processing. The optimization of the location and size of ion beam synthesized Si NCs requires a deeper understanding of the mechanisms involved, which determine (i) the built-up of Si supersaturation by high-fluence ion implantation and (ii) NC formation by phase separation. For that aim, process simulations have been conducted that address both aspects on a fundamental level and, on the other hand, are able to avoid tedious experiments. The built-up of a Si supersaturation by high-fluence ion implantation were studied using dynamic binary collision calculations with TRIDYN and have lead to a prediction of Si excess depth profiles in thin gate oxides of a remarkable quality. These simulations include in a natural manner high fluence implantation effects as target erosion by sputtering, target swelling and ion beam mixing. The second stage of ion beam synthesis is modeled with the help of a tailored kinetic Monte Carlo code that combines a detailed kinetic description of phase separation on atomic level with the required degree of abstraction that is necessary to span the timescales involved. Large ensembles of Si NCs were simulated reaching the late stages of NC formation and dissolution at simulation sizes that allowed a direct comparison with experimental studies, e.g. with electron energy loss resolved TEM investigations. These comparisons reveal a nice degree of agreement, e.g. in terms of predicted and observed precipitate morphologies for different ion fluences. However, they also point clearly onto impact of additional external influences as, e.g., the oxidation of implanted Si by absorbed humidity, which was identified with the help of these process simulations. Moreover, these simulations are utilized as a general tool to identify optimum processing regimes for a tailored Si NC formation for NC memories. It is shown that key properties for NC memories as the tunneling distance from the transistor channel to the Si NCs, the NC morphology, size and density can be adjusted accurately despite of the involved degree of self-organization. Furthermore, possible lateral electron tunneling between neighboring Si NCs is evaluated on the basis of the performed kinetic Monte Carlo simulations.

Obwohl Wasserstoff omnipräsent ist, ist seine Analytik anspruchsvoll und es stehen nur wenige analytische Verfahren zur Auswahl. Unter diesen nimmt die auf einer Kernreaktion von Wasserstoff und Stickstoff basierende N-15-Methode einen herausragenden Platz ein. Sie liefert eine ortsaufgelöste Wasserstoffkonzentration bis in den ppm-Bereich in oberflächennahen Schichten (kleiner 2 µm). Gegenstand der Arbeit sind die Darstellung der Theorie der N-15-Kernreaktionsanalyse (NRA), des experimentellen Aufbaus des entsprechenden Strahlrohrs am Ionenbeschleuniger der BAM und der Auswertung der Messergebnisse. Ziel ist die erstmalige Charakterisierung eines Referenzmaterials für die H-Analytik auf Basis von amorphen Silizium (aSi) auf einem Si[100]-Substrat. International wird von den metrologischen Instituten NIST [REE90] und IRMM [VAN87] je ein Referenzmaterial für die Heißextraktion in Form von Titanplättchen angeboten. Diese sind aber für die oberflächennahen Verfahren (NRA, ERDA, GDOES, SIMS) nicht nutzbar, da die oberflächennahe Konzentration von Wasserstoff in Titan nicht konstant ist. Die Homogenität der mittels CVD abgeschiedenen aSi:H-Schichten wurde untersucht. Dazu wurden pro Substrat für ca. 30 Proben die Wasserstofftiefenprofile gemessen, mittels eines innerhalb der Arbeit entstandenen Programms entfaltet und der statischen Auswertung unterzogen. Das Ergebnis waren Mittelwert und Standardabweichung der Wasserstoffkonzentration, sowie ein Schätzer für den Beitrag der Inhomogenität zur Meßunsicherheit. Die Stabilität des potentiellen Referenzmaterials wurde durch die Konstanz der Ergebnisse von Wiederholtungsmessungen der Wasserstoffkonzentrtion während der Applikation einer hohen Dosis von N-15 Ionen bewiesen. In einem internationalen Ringversuch wurde die Rückführbarkeit der Messergebnisse nachgewiesen. Teilnehmer waren 13 Labore aus 7 Ländern. Eingesetzt wurden N-15 und F-19 NRA, ERDA und SIMS. Besonderer Beachtung wurde der Bestimmung der Messunsicherheiten gewidmet. Für die Charakterisierung der aSi:H-Schichten wurden neben der NRA die Weißlichtinterferometrie, Ellipsometrie, Profilometrie und Röngenreflektometrie, sowie die IR- und Ramanspektroskopie genutzt. Die Stöchiometrie des eingesetzten Standardmaterials Kapton wurde mittels NMR-Spekroskopie und CHN-Analyse überprüft. [VAN87] Vandendriessche, S., Marchandise, H., Vandecasteele, C., The certification of hydrogen in titanium CRM No318, Brüssel-Luxembourg,1987 [REE90] Reed, W.P., Certificate of Analysis SRM 352c, Gaithersburg, NIST, 1990

Diese Arbeit befasst sich mit der Nanostrukturierung von magnetischen Schichtsystemen mit Tunnelmagnetowiderstandseffekt (TMR-Effekt), welche in der Form von Nanosäulen in magnetoresistiven Speichern (MRAM) eingesetzt werden. Solche Nanosäulen können zukünftig ebenfalls als Nanoemitter von Mikrowellensignalen eine Rolle spielen. Dabei wird von der Auswahl eines geeigneten TMR-Schichtsystems mit einer MgO-Tunnelbarriere über die Präparation der Nanosäulen mit Seitenisolierung bis hin zum Aufbringen der elektrischen Zuleitungen eine komplette Prozesskette entwickelt und optimiert. Die Strukturen werden mittels optischer Lithographie und Elektronenstrahllithographie definiert, die anschließende Strukturübertragung erfolgt durch Ionenstrahlätzen (teilweise reaktiv) sowie durch Lift-off. Rückmeldung über Erfolg oder Probleme bei der Strukturierung geben Transmissionselektronenmikroskopie (teilweise mit Zielpräparation per Ionenfeinstrahl, FIB), Rasterelektronenmikroskopie sowie die Lichtmikroskopie. Es können so TMR-Nanosäulen mit minimalen Abmessungen von bis zu 69 nm x 71 nm hergestellt werden, von denen Nanosäulen mit Abmessungen von 65 nm x 87 nm grundlegend magneto-elektrisch charakterisiert worden sind. Dies umfasst die Bestimmung des TMR-Effektes und des Widerstandes der Tunnelbarriere (RA-Produkt). Weiterhin wurde das Verhalten der magnetischen Schichten bei größeren Magnetfeldern bis +-200mT sowie das Umschaltverhalten der magnetisch freien Schicht bei verändertem Winkel zwischen magnetischer Vorzugsachse des TMR-Elementes und dem äußeren Magnetfeld untersucht. Der Nachweis des Spin-Transfer-Torque Effektes an den präparierten TMR-Nanosäulen ist im Rahmen dieser Arbeit nicht gelungen, was mit dem zu hohen elektrischen Widerstand der verwendeten Tunnelbarriere erklärt werden kann. Mit dünneren Barrieren konnte der Widerstand gesenkt werden, allerdings führt ein Stromfluss durch diese Barrieren schnell zur Degradation der Barrieren. Weiterführende Arbeiten sollten das Ziel haben, niederohmige und gleichzeitig elektrisch belastbare Tunnelbarrieren in einem entsprechenden TMR-Schichtsystem abzuscheiden. Eine erste Auswahl an Ansatzpunkten dafür aus der Literatur wird im Ausblick gegeben.:Einleitung I Grundlagen 1 Spinelektronik und Magnetowiderstand 1.1 Der Elektronenspin – Grundlage des Magnetismus 1.2 Magnetoresistive Effekte 1.2.1 AnisotroperMagnetowiderstand 1.2.2 Riesenmagnetowiderstand 1.2.3 Tunnelmagnetowiderstand 1.3 Spin-Transfer-Torque 1.4 Anwendungen 1.4.1 Festplattenleseköpfe 1.4.2 Magnetoresistive Random AccessMemory (MRAM) 1.4.3 Nanooszillatoren für drahtlose Kommunikation 2 Grundlagen der Mikro- und Nanostrukturierung 2.1 Belacken 2.2 Belichten 2.2.1 Optische Lithographie 2.2.2 Elektronenstrahllithographie 2.3 Entwickeln 2.4 Strukturübertragung 2.4.1 Die Lift-off Technik 2.4.2 Ätzen 2.5 Entfernen der Lackmaske 2.6 Reinigung 2.6.1 Quellen von Verunreinigungen 2.6.2 Auswirkungen von Verunreinigungen 2.6.3 Entfernung von Verunreinigungen 2.6.4 Spülen und Trocknen der Probenoberfläche 3 Ionenstrahlätzen 3.1 Physikalisches Ätzen – Sputterätzen 3.2 Reaktives Ionenstrahlätzen – RIBE 3.3 Anlagentechnik 3.3.1 Parameter 3.3.2 Homogenität 3.3.3 Endpunktdetektion II Ergebnisse und Diskussion 4 TMR-Schichtsysteme 4.1 Prinzipielle Schichtfolge 4.2 Verwendete TMR-Schichtsysteme 4.3 Rekristallisation von Kupfer 4.4 Formierung der TMR-Schichtsysteme 4.4.1 Antiferromagnetische Kopplung an PtMn 4.4.2 Rekristallisation an der MgO-Barriere 4.5 Anpassung der MgO-Schicht – TMR-Effekt und RA-Produkt 4.6 Magnetische Charakterisierung 5 Probendesign 5.1 Beschreibung der vier lithographischen Ebenen 5.2 Layout für statische und dynamischeMessungen 5.2.1 Geometrie 5.2.2 Anforderungen für die Hochfrequenzmessung 5.3 Layout für Zuverlässigkeitsmessungen 5.3.1 Geometrie 5.3.2 Voraussetzungen für die Funktion 5.4 Chiplayout 5.4.1 Zusatzstrukturen 5.4.2 Anordnung der Elemente 6 Fertigung eines Maskensatzes für die optische Lithographie 6.1 Vorbereitung desMaskenrohlings 6.2 Strukturierung mittels Elektronenstrahllithographie 6.3 Ätzen der Chromschicht 7 Ergebnisse und Diskussion der Probenpräparation 7.1 Definition der Grundelektrode 7.1.1 Freistellen der Grundelektrode 7.1.2 Gratfreiheit der Grundelektrode 7.1.3 Oberflächenqualität nach der Strukturierung 7.2 Präparation der magnetischen Nanosäulen 7.2.1 Aufbringen einer Ätzmaske 7.2.2 Ionenstrahlätzen der TMR-Nanosäule 7.2.3 Abmessungen der präparierten Nanosäulen 7.3 Vertikale Kontaktierung 7.3.1 Seitenwandisolation 7.3.2 Freilegen der Kontakte 7.3.3 Aufbringen der elektrischen Zuleitungen 7.4 Die komplette Prozesskette und Ausbeute 8 Magneto-elektrische Charakterisierung 8.1 Messung des Tunnelmagnetowiderstandes 8.2 Stabilität der magnetischen Konfiguration 8.3 Spin-Transfer-Torque an TMR-Nanosäulen 9 Zusammenfassung und Ausblick Literaturverzeichnis / This thesis deals with the fabrication of nanopillars with tunnel magnetoresistance effect (TMR-effect), which are used in magnetoresistive memory (MRAM) and may be used as nanooscillators for future near field communication devices. Starting with the selection of a suitable TMR-layer stack with MgO-tunnel barrier, the whole process chain covering the fabrication of the nanopillars, sidewall isolation and preparation of the supply lines on top is developed and optimised. The structures are defined by optical and electron beam lithography, the subsequent patterning is done by ion beam etching (partially reactive) and lift-off. Techniques providing feedback on the nanofabrication are transmission electron microscopy (partially with target preparation by focused ion beam, FIB), scanning electron microscopy and optical microscopy. In this way nanopillars with minimal dimensions reaching 69 nm x 71 nm could be fabricated, of which nanopillars with a size of 65 nm x 87 nm were characterized fundamentally with respect to their magnetic and electric properties. This covers the determination of the TMR-effect and the resistance of the tunnel barrier (RA-product). In addition, the behaviour of the magnetic layers under higher magnetic fields (up to +-200mT) and the switching behaviour of the free layer at different angles between the easy axis of the TMR-element and the external magnetic field were investigated. The spin transfer torque effect could not be detected in the fabricated nanopillars due to the high electrical resistance of the tunnel barriers which were used. The resistance could be lowered by using thinner barriers, but this led to a quick degradation of the barrier when a current was applied. Continuative work should focus on the preparation of tunnel barriers in an appropriate TMR-stack being low resistive and electrically robust at the same time. A first selection of concepts and ideas from the literature for this task is given in the outlook.:Einleitung I Grundlagen 1 Spinelektronik und Magnetowiderstand 1.1 Der Elektronenspin – Grundlage des Magnetismus 1.2 Magnetoresistive Effekte 1.2.1 AnisotroperMagnetowiderstand 1.2.2 Riesenmagnetowiderstand 1.2.3 Tunnelmagnetowiderstand 1.3 Spin-Transfer-Torque 1.4 Anwendungen 1.4.1 Festplattenleseköpfe 1.4.2 Magnetoresistive Random AccessMemory (MRAM) 1.4.3 Nanooszillatoren für drahtlose Kommunikation 2 Grundlagen der Mikro- und Nanostrukturierung 2.1 Belacken 2.2 Belichten 2.2.1 Optische Lithographie 2.2.2 Elektronenstrahllithographie 2.3 Entwickeln 2.4 Strukturübertragung 2.4.1 Die Lift-off Technik 2.4.2 Ätzen 2.5 Entfernen der Lackmaske 2.6 Reinigung 2.6.1 Quellen von Verunreinigungen 2.6.2 Auswirkungen von Verunreinigungen 2.6.3 Entfernung von Verunreinigungen 2.6.4 Spülen und Trocknen der Probenoberfläche 3 Ionenstrahlätzen 3.1 Physikalisches Ätzen – Sputterätzen 3.2 Reaktives Ionenstrahlätzen – RIBE 3.3 Anlagentechnik 3.3.1 Parameter 3.3.2 Homogenität 3.3.3 Endpunktdetektion II Ergebnisse und Diskussion 4 TMR-Schichtsysteme 4.1 Prinzipielle Schichtfolge 4.2 Verwendete TMR-Schichtsysteme 4.3 Rekristallisation von Kupfer 4.4 Formierung der TMR-Schichtsysteme 4.4.1 Antiferromagnetische Kopplung an PtMn 4.4.2 Rekristallisation an der MgO-Barriere 4.5 Anpassung der MgO-Schicht – TMR-Effekt und RA-Produkt 4.6 Magnetische Charakterisierung 5 Probendesign 5.1 Beschreibung der vier lithographischen Ebenen 5.2 Layout für statische und dynamischeMessungen 5.2.1 Geometrie 5.2.2 Anforderungen für die Hochfrequenzmessung 5.3 Layout für Zuverlässigkeitsmessungen 5.3.1 Geometrie 5.3.2 Voraussetzungen für die Funktion 5.4 Chiplayout 5.4.1 Zusatzstrukturen 5.4.2 Anordnung der Elemente 6 Fertigung eines Maskensatzes für die optische Lithographie 6.1 Vorbereitung desMaskenrohlings 6.2 Strukturierung mittels Elektronenstrahllithographie 6.3 Ätzen der Chromschicht 7 Ergebnisse und Diskussion der Probenpräparation 7.1 Definition der Grundelektrode 7.1.1 Freistellen der Grundelektrode 7.1.2 Gratfreiheit der Grundelektrode 7.1.3 Oberflächenqualität nach der Strukturierung 7.2 Präparation der magnetischen Nanosäulen 7.2.1 Aufbringen einer Ätzmaske 7.2.2 Ionenstrahlätzen der TMR-Nanosäule 7.2.3 Abmessungen der präparierten Nanosäulen 7.3 Vertikale Kontaktierung 7.3.1 Seitenwandisolation 7.3.2 Freilegen der Kontakte 7.3.3 Aufbringen der elektrischen Zuleitungen 7.4 Die komplette Prozesskette und Ausbeute 8 Magneto-elektrische Charakterisierung 8.1 Messung des Tunnelmagnetowiderstandes 8.2 Stabilität der magnetischen Konfiguration 8.3 Spin-Transfer-Torque an TMR-Nanosäulen 9 Zusammenfassung und Ausblick Literaturverzeichnis

The methods of analysis with a focused ion beam, commonly termed as nuclear microscopy, include quantitative physical processes like PIXE and RBS. The element concentrations in a sample can be quantitatively mapped with a sub-micron spatial resolution and a sub-ppm sensitivity. Its fully quantitative and non-destructive nature makes it particularly suitable for analysing biological samples. The applications in biomedical research are manifold. The iron overload hypothesis in Parkinson\\\''s disease is investigated by a differential analysis of human substantia nigra. The trace element content is quantified in neuromelanin, in microglia cells, and in extraneuronal environment. A comparison of six Parkinsonian cases with six control cases revealed no significant elevation in iron level bound to neuromelanin. In fact, a decrease in the Fe/S ratio of Parkinsonian neuromelanin was measured, suggesting a modification in its iron binding properties. Drosophila melanogaster, or the fruit fly, is a widely used model organism in neurobiological experiments. The electrolyte elements are quantified in various organs associated with the olfactory signalling, namely the brain, the antenna and its sensilla hairs, the mouth parts, and the compound eye. The determination of spatially resolved element concentrations is useful in preparing the organ specific Ringer\\\''s solution, an artificial lymph that is used in disruptive neurobiological experiments. The role of trace elements in the progression of atherosclerosis is examined in a pilot study. A differential quantification of the element content in an induced murine atherosclerotic lesion reveals elevated S and Ca levels in the artery wall adjacent to the lesion and an increase in iron in the lesion. The 3D quantitative distribution of elements is reconstructed by means of stacking the 2D quantitative maps of consecutive sections of an artery. The feasibility of generating a quantitative elemental rodent brain atlas by Large Area Mapping is investigated by measuring at high beam currents. A whole coronal section of the rat brain was measured in segments in 14 h. Individual quantitative maps of the segments are pieced together to reconstruct a high-definition element distribution map of the whole section with a subcellular spatial resolution. The use of immunohistochemical staining enhanced with single elements helps in determining the cell specific element content. Its concurrent use with Large Area Mapping can give cellular element distribution maps.

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Eine ortsauflösende Spannungs- und Dehnungssensortechnik soll durch die Nutzung magnetostriktiver Materialien auf der Oberfläche von Kohlenstoffeinzelfasern (C-Fasern) und Mikrofeinstrukturierung dieser Schichten erzeugt und zur elektronischen Überwachung des Belastungszustandes von sicherheits- oder servicerelevanten Faserverbundbauteilen eingesetzt werden. Eine auf lokaler Gasphasenabscheidung und Mikrostrukturierung mittels der Focused Ion Beam (FIB)-Technik beruhende Sensorfabrikationsmethode wurde gemeinsam mit dem Institut für Mikrotechnologie Hannover (imt) entwickelt. Mehrschichtig mittels CVD und PVD bedampfte und zusätzlich galvanisch beschichtete C-Fasern weisen neuartige Eigenschaften auf, die im vorgestellten Vorhaben am Lehrstuhl für Verbundwerkstoffe (LVW) charakterisiert wurden. Insbesondere die Untersuchung der verschiedenen Schichten sowie deren Interfaces nehmen eine bedeutende Rolle ein.

二体衝突近似法を、粒子－物質相互作用に関する様々な現象に応用した。特に二体衝突近似法と動的モンテカルロ法の接続によるBCA-kMCハイブリッドシミュレーションにより、従来の二体衝突近似法と拡散方程式を合わせた手法が抱える問題を克服することで、材料内での不純物拡散挙動をより詳細に解析することに成功した。本論文は将来的な二体衝突近似法の幅広い分野への応用の足がかりになることが期待される。 / 博士(工学) / Doctor of Philosophy in Engineering / 同志社大学 / Doshisha University

This project is in collaboration with the Hydro-Quebec Research Institute (IREQ) and the Canadian Centre for Electron Microscopy (CCEM) on the mechanical test performance of miniature-scale micro-tensile specimens. The objective of the thesis project is to create an efficient and reliable fabrication route for producing micro-tensile specimens and to validate the accuracy of a newly custom-built micro-tensile bench at IREQ. The fabrication techniques developed and outlined in this thesis use the underlying fundamental physical mechanisms of secondary electron microscopy (SEM), focused-ion beam (FIB), and the femtosecond (fs)-laser machining for producing optimal quality micro-tensile specimens. The mechanical testing of the specimens is geared towards studying the localized deformation occurring in the microstructure when the size of the specimen only limits a number of grains and grain boundaries in order to target the specific detailed measurement of the mechanical behaviour of individual grains and interfaces. The goal for creating an optimal fabrication route for micro-tensile specimens is to carry out micro-mechanical testing of the primary turbine steels of 415 martensitic stainless steel used in the manufacture of Francis turbine components at Hydro-Quebec. The mechanical testing of single phase and interphase interface 415 steel micro-tensile specimens are considered building blocks to developing digital twin models of the steel microstructure. The experimental data from the mechanical tests would be fed into the crystal plasticity finite element models (CPFEM) that are currently being developed by researchers at IREQ. With the development of digital twin models, engineers at IREQ would be able to predict crack initiation at the microstructure level (prior to crack propagation into macro-scale cracks) by observing the evolution of the grain’s crystallographic orientation and morphology, as well as deformation mechanisms such as martensite formation and twinning produced from localized induced strains in the microstructure. In addition, self-organized dislocation processes such as dislocation nucleation and dislocation escape through the free surface can also be studied using the CPFEM models for size-limited mechanical deformation behaviour of miniature-scale mechanical test specimens. The fabrication routes studied in this thesis project use the combination of the fs-laser and plasma focused ion beam (PFIB) to machine the micro-tensile specimens. (100) single crystal copper was the ideal material chosen to validate the accuracy of the micro-tensile bench and quality of the fs-laser-machined tensile specimens, due to its ductile nature and well-characterized properties studied in literature. A mechanical size effect was studied for single crystal copper specimens with different gauge thicknesses. It was observed from the micro-tension testing that the strength of the specimens increased with decreasing gauge thickness occurring in the size-limited tensile gauges. In addition, it was determined there was negligible differences in the size effect seen between the PFIB-machined copper micro-tensile specimens and the fs-laser-machined micro-tensile specimens, demonstrating that the fs-laser is a reliable machining route for the micro-tensile specimens. X-ray computed tomography was used to validate the correct geometry of the machined gauge section produced from an innovative gauge thinning method adopted from IREQ’s research collaborator, Dr. Robert Wheeler. As well, finite-element analysis (FEA) was performed to determine the deformation behaviour under both linear-elastic and non-linear elastoplastic conditions of (100) copper and 415 steel models simulated in pure tension, prior to the fabrication of the micro-tensile specimens, respectively. Furthermore, significant progress has been made towards targeting martensite grains in the 415-steel microstructure using electron backscattered diffraction (EBSD) analysis to produce single crystal and interphase interface micro-tensile specimens. A workflow towards grain targeting using EBSD analysis has been developed, as well as for the relocation of grains using reference fiducial marks for future fabrication of the single crystal and interphase interface 415 micro-tensile specimens. / Thesis / Master of Applied Science (MASc) / Hydro-Quebec is an energy utilities company that operates the design of Francis hydro-turbines to supply hydroelectric power across the province of Quebec. The hydro-turbines have an expected service life of 70 years. Unfortunately, the turbines can get replaced by new ones prior to reaching half of its service life, due to the development of severe fatigue crack growth in the primary components of the turbines. A solution proposed by the researchers at the Hydro-Quebec Research Institute (IREQ) is to determine a linkage between the turbine’s steel’s microstructure and the mechanical behaviour of the turbine steels. Deformation of the material starts at the microstructure level, where dislocations glide through the material lattice, causing both reversible (elastic) and irreversible (plastic) deformation. Therefore, a solution was proposed by the researchers at IREQ to create computational models of the steel microstructure to predict the deformation of the steel’s microstructure. Being able to predict the deformation mechanisms through the simulation models of the microstructures allows for engineers at Hydro-Quebec to schedule regular maintenance of the turbines more efficiently and provide metallurgists the knowledge on what is occurring at the microstructure level and what can be done to improve the chemical and physical composition of the steel. To develop the digital twin models, experimental data must be collected through mechanical testing of miniature mechanical test specimens of the turbine steels. The mechanical properties of the single phases and interphase interface specimens are fed into the models as building blocks to building a microstructure map of the turbine steels. Micro-tension testing of micro-tensile specimen provides direct information about the material’s mechanical properties. In this work, a reliable and efficient fabrication route for micro-tensile specimens was developed for the purpose of extracting mechanical properties of single phase and interphase interface turbine steel specimens using focused ion beam (FIB) and femtosecond laser machining.

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