Steuerung der Mikrostruktur von dünnen Mehrschichtsystemen durch ultrakurz gepulste Laserstrahlung – Prozessverständnis durch komplementäre in situ und ex situ Charakterisierungen und Multiskalen-Simulationen

• Antragsteller: Professor Dr. Alexander Horn; Professor Dr. David Rafaja; Professor Dr. Stefan Sandfeld
• Fachliche Zuordnung: Thermodynamik und Kinetik sowie Eigenschaften der Phasen und Gefüge von Werkstoffen ; Beschichtungs- und Oberflächentechnik ; Computergestütztes Werkstoffdesign und Simulation von Werkstoffverhalten von atomistischer bis mikroskopischer Skala
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 469106482

Laserbasierte Technologien gehören zum Standardwerkzeug der Materialbearbeitung und werden zum Abtragen und Strukturieren von Werkstoffen in vielen Anwendungsgebieten eingesetzt. Die Prozesse des Laserabtragens werden üblicherweise mittels hydrodynamischer Ansätze in Verbindung mit molekulardynamischen Simulationen beschrieben. Durch die Anwendung hochintensiver Laserstrahlung werden im Material jedoch Mikrostrukturänderungen auf der Nanometerskala induziert, die auf Schmelzen, Erstarren, Interdiffusion der beteiligten Elemente, Bildung von Mikrostrukturdefekte und Rekristallisation zurückzuführen sind. Diese Prozesse können zur gezielten Manipulation der Werkstoffmikrostruktur genutzt werden, aber da die laserinduzierte Veränderung der Mikrostruktur ebenfalls die Wechselwirkung der Laserstrahlung mit dem Werkstoff beeinflusst, ist das gezielte Einstellen einer gewünschten Mikrostruktur auf der Nanometerskala eine sehr komplexe Aufgabe. Da ein holistisches Model zur Beschreibung des Einflusses der Mikrostruktur auf die Wechselwirkung der Laserstrahlung mit dem Material fehlt, werden derzeit die Prozessparameter bei der Lasermaterialbearbeitung vorwiegend empirisch ermittelt.Dieses Projekt hat das Ziel, einen Beitrag zum Verständnis der laserinduzierten Mikrostrukturänderungen in dünnen metallischen Schichten und zur Klärung des Einflusses der Mikrostruktur auf die Materialkennwerte zu leisten, die für die laserinduzierten Prozesse, wie die Absorption der Laserstrahlung, Elektron-Phonon-Kopplung, Wärmeleitung etc., von Bedeutung sind. Das Ziel soll durch die Kombination von in situ (Ultraschnelle Ellipsometrie und Reflektometrie während der Laserbestrahlung) und ex situ Experimenten (REM, TEM, EDX / EELS) mit Simulationen, die sowohl mesoskopische (Hydrodynamik) als auch mikroskopische Ansätze (Molekulardynamik) nutzen, erreicht werden. Die Auswertung der elektronenmikroskopischen Aufnahmen wird durch deep-learning basierte multimodale Analyse unterstützt. Die aus den molekulardynamischen Simulationen gewonnenen Informationen ergänzen weiterhin die ex situ Mikrostrukturuntersuchungen, indem sie z. B. die atomaren Positionen für die in situ Mikrostrukturanalysen während der Laserbestrahlung liefern.In diesem Projekt sollen Einzelschichten (Cr, Mo, Ti, Fe) und Doppelschichten (Au/Cr, Mo/Ti, Au/Fe) untersucht werden, die aus unären metallischen Phasen mit unterschiedlichen Schmelztemperaturen und unterschiedlicher Abfolge von Hochtemperatur- und Hochdruckphasen bestehen und deren binäre Systeme unterschiedliche Löslichkeiten und Diffusivitäten besitzen. Experimentell bestimmte Phasenübergänge und Konzentrationsprofile werden als "Sensoren" für die laser-induzierten Temperaturen und Drücke verwendet. Der Einfluss der Mikrostruktur auf den Laserprozess wird an Proben untersucht, die im Ausgangszustand unterschiedliche Korngröße und Vorzugsorientierung der Kristallite aufweisen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen