Study on the interface structure of transition metal nitride thin films by advanced electron microscopy

Publikationen: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenDissertation

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Abstract

Mehrschichtbeschichtungen weisen eine ausgezeichnete H�rte und Z�higkeit auf, was weitgehend von ihrer mikroskopischen Grenzfl�chenstruktur abh�ngt. Daher ist die Charakterisierung der Grenzfl�che von Materialien auf atomarer Ebene f�r ein umfassendes Verst�ndnis der mechanischen Eigenschaften von Mehrlagenbeschichtungen sehr wichtig. In dieser Arbeit werden die Grenzfl�cheneigenschaften von mehrlagigen Hartstoffbeschichtungen aus �bergangsmetallnitriden (TMNs) und ihre grenzfl�chenbezogenen Ph�nomene mit Hilfe von sph�rischer aberrationskorrigierter Transmissionselektronenmikroskopie untersucht. Der erste Teil dieser Arbeit untersucht den Grenzfl�cheneffekt auf die Stabilit�t der metastabilen Phase. HRTEM-Studien zeigen, dass die unterschiedliche Wachstumsorientierung eine unterschiedliche F�higkeit zur Stabilisierung der metastabilen Phase aufweist. Im Gegensatz zur <111> -Orientierung bilden sich sowohl in <110> - als auch in <100> -Orientierung mehrere ungew�hnlich stark nicht fehlangepasste kubische CrN / Wurtzit-AlN-Grenzfl�chenstrukturen, sobald Wurtzit-AlN vorhanden ist. DFT-Studien legen nahe, dass die gr��ere kritische Dicke der AlN-Schichten in <100> - und <110> -Orientierung durch die niedrigere Oberfl�chenenergie und die h�here Grenzfl�chenenergie zwischen kubischer Kristallstruktur und Wurtzit erm�glicht wird. Diese Ergebnisse bereichern den Stabilisierungsmechanismus der metastabilen Phase in Mehrlagenschichten und bieten dar�ber hinaus einen Weg f�r das Design von hochwertigen �bergitterbeschichten. Im zweiten Teil dieser Arbeit wird das Ph�nomen der Grenzfl�chenvermischung aufgrund plastischer Verformung untersucht. Unter Verwendung der Elektronenmikroskopie und Spektroskopie mit atomarer Aufl�sung sowie theoretischen Berechnungen (MD- und DFT-Simulation) wird zun�chst eine durch Nanoindentation induzierte gro�fl�chige Legierung (Bildung einer festen L�sung) an den TiN/AlN-�bergittergrenzfl�chen nachgewiesen. Das Legieren verringert die Grenzfl�chendichte erheblich und f�hrt zu einem starken Abfall der Versetzungsdichte, wodurch die erreichbare Festigkeit verringert wird. Diese Ergebnisse rationalisieren den Mechanismus, der f�r den derzeit nicht gut verstandenen inversen Hall-Petch-Effekt in �bergitterbeschichtungen mit einer relativ kleinen Doppelschichtperiode verantwortlich ist. Im letzten Teil wurden die TMN-CrN-Zwillinge an der Heterophasengrenzfl�che und der Verformungsmechanismus der Zwillingsgrenzfl�che eingehend untersucht. Eine hohe Dichte von Steinsalz-CrN-Zwillingen mit ?3{112} inkoh�renten Zwillingsgrenzen (ITB) wurde in dem {111}||{0002} texturierten Film gefunden. Es wurde nachgewiesen, dass die hohe Zwillingsdichte mit der Existenz der Wurtzit-{0002}-Schnittstellenterrasse zusammenh�ngt. Basierend auf den HRTEM-Beobachtungen und Atommodellanalysen, erg�nzt durch theoretische Berechnungen, werden verschiedene Keimbildungsmodi von Zwillingen mit ?3 {112} ITB und ?3 {111} CTB (koh�rente Zwillingsgrenze) vorgeschlagen. Gleichzeitig in dieser Arbeit wird das Migrationsverhalten von CrN CTB mittels In-situ-TEM mit atomarer Aufl�sung weiter untersucht. Dabei wird herausgefunden, dass die CTB-Migration mit einer Grenzstruktur verbunden ist, die von einer N-terminierten zu einer Cr-terminierten wechselt und dabei eine entsprechende Bewegung des Cr- und N-Atoms beinhaltet, d.h. eine asynchrone CTB-Migration. Lokale Dehnungsanalysen und DFT-Simulationen zeigen ferner den dynamischen und thermodynamischen Mechanismus einer solchen asynchronen Migration. Diese Ergebnisse decken einen dynamischen Prozess der Defektkeimbildung und CTB-Migration auf atomarer Ebene in einem bin�ren System auf, der neue Einblicke in den Deformationsmechanismus der Grenzfl�che auf atomarer Ebene in TMNs bietet.

Details

Titel in ÜbersetzungUntersuchung der Grenzfl�chenstruktur von �bergangsmetallnitrid-D�nnfilmen mittels fortgeschrittener Elektronenmikroskopie
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDr.mont.
Gradverleihende Hochschule
Betreuer/-in / Berater/-in
StatusVeröffentlicht - 2021