Einfluss von Grenzflächen auf die mechanischen Eigenschaften von Hartstoffschichten

Dünnschichten weisen ein breites Anwendungsspektrum auf, welches von der Mikroelektronik, über Wär- meschutzschichten in Turbinen oder Flugzeugtriebwerksteilen bis hin zu Verschleißschutzschichten reicht. Letztere werden verwendet um technische Komponenten, z.B. Schneidwerkzeuge, von äußeren Belastungen und rauen Umgebungsbedingungen zu schützen. Idealerweise sollten Hartstoffschichten dabei sowohl hart als auch zäh sein. Wie in der Literatur berichtet, kann die Härte dieser meist keramischen Schichten um eini- ge hundert Prozent gesteigert werden, wenn zwei Materialien in einer Multilagenarchitektur kombiniert wer- den. Die Einzellagendicke beträgt dabei einige wenige Atomlagen und ist als "Superlattice bekannt. Vor kurzem haben die Autoren den experimentellen Beweis erbracht, dass Superlattices nicht nur signifikant die Härte sondern auch die Bruchzähigkeit erhöhen, das heißt den Widerstand der Schicht gegen die Ausbreitung schon vorhandener Risse. Da die Lagendicke im Nanometer-Bereich liegt, stellen die Grenzflächen zwischen den Lagen die entscheidenden Bausteine dar, die die Schichteigenschaften bestimmen, da ihr Volumenanteil invers mit der Lagendicke skaliert. In unserem Projekt soll der Einfluss der Superlattice-Architektur (beispielsweise Lagendicken und Volumen- Verhältnis der kombinierten Materialien), der Grenzflächen-Eigenschaften (Grenzflächenweite, Zusammen- setzung und Struktur) sowie von Verunreinigungen auf die mechanischen Eigenschaften untersucht werden. State-of-the-art Mikromechanik Experimente sollen die Bestimmung der mechanischen Materialeigen- schaften ermöglichen, welche mit konventionellen experimentellen Methoden nicht zugänglich sind. Dabei werden mittels einem fokussierten Ionenstrahl (Focused Ion Beam - FIB) mikrometergroße Proben (vorge- kerbte Biegebalken, Mikro-Pillar, Mikro-Zugproben) aus dem Superlattice Harstoffschichten herauspräpa- riert. Die Proben werden bis zum Bruch in einem Rasterelektronenmikroskop (REM) mit einem Pico- Indenter belastet. Die gleichzeitige Aufzeichnung der Last-Durchbiegungs-Kurven und der REM Bilder wäh- rend der Versuche wird die Quantifizierung der mechanischen Eigenschaften (Bruchzähigkeit, Scher- und Zugfestigkeit) und die Beobachtung von Riss-initiierungs und ausbreitungs Ereignissen in den Superlattice Strukturen ermöglichen. Um ein fundamentales Verständnis der mechanischen Eigenschaften von Superlat- tice Strukturen zu bekommen, werden ergänzend zu den experimentellen Studien quantenmechanische Simu- lationen durchgeführt und die Kontinuumstheorie der Versetzungen angewandt werden. Die Erkenntnisse aus diesem Projekt sollen dazu beitragen die Performance von neuen Materialien mit besonderer Architektur zu verstehen und substantiell zu verbessern. 1