Influence of the bilayer period on the structure of AlN and the mechanical properties of CrN/AlN superlattice coatings

Publikationen: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenDiplomarbeit(peer-reviewed)

Abstract

In den letzten Jahren zeigte die Forschung im Bereich von CrN/AlN Mehrlagenschichten Verbesserungen bezüglich ihrer mechanischen Eigenschaften und ihrer Oxidationsbeständigkeit. Im speziellen weisen CrN/AlN Mehrlagenschichten mit einer Übergitterstruktur einen Anstieg ihrer Härte bei einem bestimmten Wert der Doppellagenperiode (Λ) auf. Diese Über-gitterstruktur wird erreicht, wenn beide Lagenmaterialien (CrN und AlN) die gleiche Kristall-struktur und einen ähnlichen Gitterparameter zeigen. Der Härteeffekt geht mit der Bildung der metastabilen kubischen (c) AlN Phase einher, die durch Kohärenzspannungen ermöglicht wird. Eine systematische Studie, welche den Einfluss der individuellen Lagendicken von CrN und AlN auf die Struktur und mechanischen Eigenschaften von CrN/AlN Mehrlagenschichten mit Übergitterstruktur untersucht, fehlte allerdings. Aus diesem Grund wurden CrN/AlN Mehrlagenschichten mit AlN Lagendicken von 1, 2 und 3.3 nm und CrN Lagendicken zwi-schen 0.9 und 10 nm mittels reaktivem DC Magnetron Sputtern hergestellt. Die dabei erhalte-ne Doppellagenperiode und die Struktur der CrN/AlN Mehrlagenschichten wurden mittels Kleinwinkel und Großwinkel Röntgenbeugung (LAXRD und HAXRD) und hochauflösender Transmissionselektronmikroskopie (HRTEM) untersucht. Ein Ultra-Micro-Indentations Sys-tem wurde verwendet um die Härte zu messen. Diese wurde anschließend als Funktion der Doppellagenperiode aufgetragen, ebenso wie die Schichteigenspannungen die über eine Sub-stratdurchbiegungsmethode ermittelt wurden. Aus den Ergebnissen war zu folgern, dass eine minimale CrN Lagendicke notwendig ist, um die AlN Lagen in ihrer kubischen Struktur zu stabilisieren. Diese minimale CrN Lagendicke liegt im Bereich der AlN Lagendicke. Folglich wird für die CrN/AlN Mehrlagenschichten mit 1, 2 und 3.3 nm dünnen AlN Lagen eine CrN Lagendicken von 1, 2 und ~3 nm benötigt. Durch dünnere CrN Lagen kommt es zur Ausbildung einer röntgenamorphen Struktur oder einer Mischung aus kubischen, wurtzit-ähnlichen und amorphen Phasen. Exemplarisch für alle CrN/AlN Mehrlagenschichten mit Übergitterstruktur wurde die Mehrlagenschicht mit 1 nm dünnen AlN und 1.9 nm dünnen CrN Lagen (Λ = 2.9 nm) mittels HRTEM untersucht. Diese Untersuchung bestätigte die Übergitterstruktur, wie sie bereits durch LAXRD und HAXRD angedeutet wurde, durch die Ausbildung einer nahezu perfekten hetero-epitaktischen Beziehung zwischen den c-CrN und c-AlN Lagen. Für diese CrN/AlN Mehrlageschicht mit Übergitterstruktur, ebenso wie für die Mehrlagenschicht bestehend aus 2 nm dünnen AlN und 3.5 nm dünnen CrN Lagen (Λ = 5.5 nm), wurde das Härtemaximum von ~31 GPa erreicht. Die Mehrlagenschichten bestehend aus 3.3 nm dünnen AlN Lagen weisen hingegen nur einen maximalen Härtewert von ~28.5 GPa auf, der bei einer Doppellagenperiode von Λ = 6.3 nm erreicht wird. Die Ausbildung des Härtemaximums in Abhängigkeit der Doppellagenperiode wird mit steigender AlN Lagendicke breiter. Diese Abhängigkeit wird auch bei den Eigen-spannungswerten beobachtet. Basierend auf unseren Ergebnissen kann abschließend gefolgert werden, dass die Mehrlagen-schicht mit 1 nm dünnen AlN und 1.9 nm dünnen CrN Lagen oder jene mit 2 nm dünnen AlN und 3.5 nm dünnen CrN Lagen eine CrN/AlN Übergitterstruktur ausbilden und eine um ~40% höhere Härte als die entsprechenden Lagenmaterialien aufweisen.

Details

Titel in ÜbersetzungEinfluss der Doppellagenperiode auf die Struktur und die mechanischen Eigenschaften von CrN/AlN Multilagenschichten
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDipl.-Ing.
Gradverleihende Hochschule
Betreuer/-in / Berater/-in
Datum der Bewilligung14 Dez. 2012
StatusVeröffentlicht - 2012