Modellierung von metastabilen Phasenbildungsdiagrammen für gesputterte Dünnschichten

• Antragsteller: Professor Jochen M. Schneider, Ph.D., seit 11/2017
• Fachliche Zuordnung: Thermodynamik und Kinetik sowie Eigenschaften der Phasen und Gefüge von Werkstoffen ; Beschichtungs- und Oberflächentechnik
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 314558433

Die kinetische Limitierung der Phasenbildung in der physikalischen Gasphasenabscheidung führt zur Bildung vorwiegend metastabiler Phasen, die eine Vorhersage der chemischen Struktur und Eigenschaften der Dünnschichten sehr anspruchsvoll machen.Die Phasenstabilität von Dünnschichtsystemen wurde anhand theoretischer Methoden wie CALPHAD und ab initio-Berechnungen ausführlich untersucht. So kann zum Beispiel die metastabile Löslichkeitsgrenze von AlN in c-Ti1-xAlxN-Dünnschichten gut beschrieben werden. Für das gezielte Design von Dünnschichten ist die Kenntnis der metastabilen Phasenbildungsdiagramme von essentieller Bedeutung, dennoch liegen bisher keine Arbeiten zur Modellierung solcher Diagramme für die Sputter-Dünnschichtsynthese vor.In Vorarbeiten der Antragsteller wurde eine Modellbildungsstrategie für die Vorhersage von Phasenbildungsdiagrammen (bcc und fcc-Phasen) für die unmischbaren Systeme Cu-W und Cu-V erarbeitet, deren Daten gut mit experimentellen Ergebnissen übereinstimmen.Im hier beantragten Projekt sollen die aus Anwendersicht interessanten Dünnschichtsysteme Ti-Al-N und Zr-Al-N mit Schwerpunkt auf den pseudobinären Systemen TiN-AlN und ZrN-AlN mittels eines kombinierten theoretisch-experimentellen Ansatzes untersucht werden:Die Daten zur metastabilen Phasenbildung der stöchiometrischen Nitride Ti1-xAlxN1 und Zr1-xAlxN1 werden durch kombinatorische Dünnschichtsynthese gewonnen. Die Bildungsenthalpie und Aktivierungsenergie der Oberflächendiffusion von Ti1-xAlxN1 und Zr1-xAlxN1 wird durch ab initio-Berechnungen bestimmt. Anhand dieser theoretisch-experimentell erarbeiteten Daten erfolgt die thermodynamische Beschreibung der ternären Ti-Al-N- und Zr-Al-N-Systeme mittels der CALPHAD-Methode.Die vorgeschlagene Methodik wird durch die Modellierung der metastabilen Phasenbildungsdiagramme für TiN-AlN- und ZrN-AlN-Dünnschichten validiert.Aus diesen Arbeiten wird eine umfassende Strategie zur Untersuchung der Thermodynamik und Kinetik zur Formulierung metastabiler Phasenbildungsdiagramme im Nichtgleichgewicht für die Dünnschichtsynthese sowie klassischer Phasendiagramme im Gleichgewicht für die betreffenden Materialsysteme abgeleitet. Die vorgeschlagene Strategie ist auf andere Materialsysteme prinzipiell übertragbar und leistet somit einen Beitrag zum fundamentalen Verständnis der Zusammensetzungs-Struktur-Eigenschafts-Korrelationen in der Dünnschichtsynthese. Dieses Verständnis bildet die Grundlage für zukünftiges effizientes Design von Dünnschichten.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Ehemaliger Antragsteller: Dr. Keke Chang, bis 10/2017