Sputter- und Arcbeschichtung neuartiger Legierungen (SPADONA)

Mehrkomponentenmaterialien werden heutzutage in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, z.B. als Hartstoffschicht (TiAlN, CrAlN) im Verschleißschutz, als transparente leitfähige Oxide (Indiumzinnoxid (ITO), CuAlO2) in konventionellen und berührungs- empfindlichen Bildschirmen oder als photoaktive Schicht (CuInGaSe (CIGS)) in der Photovoltaik. Ein interessantes und anspruchsvolles Beispiel für Multikomponenten- materialien im Bereich metallischer Legierungen sind die sogenannten high-entropy alloys (HEA), die aus mindestens 5 metallischen Elementen zu je etwa gleichen molaren Anteilen bestehen, wie z.B. AlCoCrCuFeNi. Die Eigenschaften dieser HEA hängen nicht nur von ihrer komplexen chemischen Zusammensetzung sondern auch von ihrer Mikrostruktur ab. Werden sie nun als dünne Schichten hergestellt, dann sind die Abscheidebedingungen, d.h. die Beschichtungsparamter und in besonderem Maße auch die Beschichtungstechnik, von grundlegender Bedeutung, da mit ihnen die Ausbildung einer bestimmten Mikrostruktur beeinflusst werden kann. Das vorliegende Projekt hat somit zum Ziel, das Wachstum der HEA in Abhängigkeit von den verwendeten Beschichtungsparametern zu untersuchen, wobei zwei unterschiedliche Methoden der physikalischen Gasphasenabscheidung eingesetzt werden: Magnetron- sputtern und kathodische Arcverdampfung. Die Kombination aus hochentwickelter Dünnschicht- und Plasmacharakterisierung wird hierbei neue Erkenntnisse über den Einfluss der chemischen Zusammensetzung und der Abscheidebedingungen auf die Struktur und Eigenschaften, wie z.B. elektrischer Widerstand, Härte und tribologisches Verhalten, liefern. Die zu erwartenden Ergebnisse sollen auch einen Beitrag zur Erstellung eines dreidimensionalen Strukturzonenmodells leisten, in dem die Ausbildung der Mikrostruktur als Funktion der verfügbaren Energie pro ankommendem Atom während der Schichtabscheidung und der Zusammensetzung mit einem Verweis auf die funktionalen Eigenschaften dargestellt werden soll. Zusammenfassend spiegelt sich das grundlegende Ziel des vorliegenden Projektes sehr gut in der Bedeutung der gewählten Abkürzung SPADONA (altitalienisches Wort für Langschwert) wider: Spitzenforschung (cutting edge research) an neuartigen Legierungen.

Die Ergebnisse des durchgefuhrten Projekts ergeben einen umfangreichen Uberblick zu Struktur und Eigenschaften von MoNbTaVW-Schichten. Dieses Dunnschichtmaterial gehort zur Gruppe der sogenannten refraktaren Hochentropielegierungen (HEAs), einer Materialklasse die in den vergangenen zwei Jahrzehnten etabliert wurde. HEAs bestehen uberlicherweise aus 5 oder mehr Elementen, wobei alle Elemente zu ungefahr gleichen Teilen vorhanden sind. Durch die Benutzung von Targetmaterialien mit jeweils 20 at.% der 5 Elemente wurden MoNbTaVW-Schichten mittels verschiedener Methoden aus dem Bereich der physikalischen Gasphasenabscheidung hergestellt: DC Magnetronsputtern, "high power impulse magnetron sputtering" und kathodische Lichtbogenverdampfung. Diese drei Methoden wurden aufgrund der Unterschiede in den vorliegenden Schichtwachstumsbedingungen ausgewahlt. Eine winkelabhangige Abscheidung ergab, dass hoher energetische Wachstumsbedingungen die Ausbildung von dichten Schichten mit einer stoichiometrischen Zusammensetzung auch bei hohen Winkeln in Bezug auf die Oberflachennormale des Targets begunstigen. Trotz allem zeigten alle abgeschiedenen MoNbTaVW-Schichten eine Mischkristallstruktur mit einem kubischraumzentrierten Gitter. Diese Struktur ist stabil bis zu Temperaturen von 1500 C, was an Hand von Gluhungen im Vakuum oder inerter Ar-Atmosphare gezeigt werden konnte. Die Einbindung von N fuhrt zur Ausbildung MoNbTaVWNx Nitridschichten, wobei sich mit Zunahme des N-Gehalts in der Schicht eine Anderung in der Struktur von kubischraum- zu kubischflachenzentriert zeigt. Diese Strukturanderung wird von einer deutlichen Zunahme in der Harte von ungefahr 18 zu 30 GPa begleitet. Allerdings zeigt sich mit zunehmender Harte auch eine Versprodung der Schichten. Durchgefuhrte Zugversuche mit Schichten, die auf Polymeren abgeschieden wurden, ergaben eine Abnahme in der Spannung, die zur ersten Ausbildung von Rissen fuhrt. Insgesamt gesehen stellen die erzielten Ergebnisse eine Ausgangsbasis fur die Weiterentwicklung von MoNbTaVW und vergleichbaren refraktaren HEA-Schichten mit dem Ziel der Optimierung dieser Schichten fur bestimmte Anwendungen dar.