Ultrahochvakuum-Beschichtungsanlage für die Laserpulsabscheidung von Mehrschichtsystemen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Gerät ist erst seit etwas mehr als einem Jahr vollumfänglich im Einsatz. Die bislang mit ihm durchgeführten experimentellen Arbeiten betrafen zum einen die Erzeugung von partikulatfreien Schichten und Schichtstapeln aus verschiedenen metallischen und magnetischen Materialien für spintronische Anwendungen und zum anderen die Erzeugung von Mehr- und Multilagen-Schichtsystemen bestehend aus superharten amorphen Kohlenstoff- (ta-C-) und harten bis weichen amorphen Kohlenstoff- (a-C-) bzw. metallischen Schichten für Verschleißschutz- und tribologische Anwendungen jeweils mittels Laserpulsabscheidung. Das Ziel der Erzeugung von Kohlenstoff-Schichtsystemen besteht dabei in der Verbesserung der mechanischen Eigenschaften im Vergleich zu superharten ta-C-Einzelschichten, insbesondere hinsichtlich Duktilität und Rissausbreitung bei hoher lokaler Belastung. Als metallische und magnetische Schichtmaterialien wurden im Gerät Co90Fe10, IrMn78, NiFe und Gold in Form von Einzelschichten mit Dicken im wenige nm-Bereich abgeschieden und charakterisiert und die Wirkung der Magnetfilterung des vom Target ablatierten Teilchenstromes hinsichtlich der Erzeugung partikulatfreier Schichten zunächst am Kohlenstoff untersucht. Die Ergebnisse liegen derzeit nur teilweise vor. Vor allem zeigte sich, dass die Magnetfilterung funktioniert und nahezu partikulatfreie Kohlenstoffschichten erzeugt werden können. Im Vorfeld zu den Untersuchungen zur Erzeugung von amorphen Kohlenstoff-Schichtsystemen wurden in der Anlage Einzelschichten aus Kohlenstoff auf WC-Hartmetall- und Stahl-Substraten abgeschieden, wobei die Abhängigkeit des sp3/sp2-Bindungsanteils und damit der Härte und des Elastizitätsmoduls der Schichten von der Laserpulsfluenz auf der Targetoberfläche ermittelt wurden. Als Ergebnis zeigte sich, dass insbesondere die Härte im Fluenzbereich von 2,5 – 16 J/cm2 kontinuierlich mit der Fluenz ansteigt und im Bereich zwischen 25 – 70 GPa eingestellt werden kann. Superharte ta-C-Schichten mit Härten zwischen 60 GPa und 70 GPa bilden sich dabei in einem relativ weiten Fluenzbereich von 9 J/cm 2 bis 16 J/cm2. Aufbauend darauf wurden bislang Schichtsysteme aus abwechselnd ta-C (Härte 70 GPa) und a-C (Härte 25 GPa) erzeugt, wobei das Schichtdesign in weiten Bereichen variiert wurde. Um die mechanischen Eigenschaften der Schichtsysteme vergleichbar vermessen zu können, wurde ihre Gesamtdicke konstant auf 2 µm eingestellt. Die Dicken der einzelnen Schichten wurden im Bereich zwischen 1 - 100 nm variiert. Als ein wesentliches und für Anwendungen bedeutsames Ergebnis dieser Untersuchungen ist zu nennen, dass eine drastische Erhöhung der Haftfestigkeit, d.h. die Erhöhung der kritischen Lasten LC1, LC2 und LC3 im Ritztest, und der Verschleißbeständigkeit im pin-on-disc Verfahren solcher Mehrschichtsysteme im Vergleich zu ta-C-Einzelschichten einsetzt, wenn die Einzelschichtdicken weniger als 25 nm betragen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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PLD-preparation of carbon based multilayered coatings, In: Scientific Reports, 10. Mittweidaer Lasertagung 2/2017, S. 85-87
R. Bertram, S. Weißmantel
