Neue quaternäre Dünnschicht MAX Phasen: Eine experimentelle kombinatorische Studie als Beitrag zum Verständnis der thermisch induzierten Phasen- und Mikrostrukturausbildung sowie der Reaktionsmechanismen in nanostrukturierten Viellagenschichten

• Antragsteller: Dr.-Ing. Chongchong Tang, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung von 2021 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 464878149

MAX Phasen sind Verbindungen mit einem atomaren Lagenaufbau. Sie haben einzigartige Eigenschaften und weisen metallische und keramische Charakteristiken auf. Das mehrelementige Legieren der individuellen atomaren Lagen ist ein leistungsstarkes Werkzeug für die Herstellung neuer quaternärer MAX Phasen. Vor kurzem erst wurden neue quaternäre MAX Phasen der Art (M′M″)n+1AXn mit definierter Anordnung in den M-Lagen entdeckt; diese Ordnungszustände umfassen sogenannte out-of-plane Anordnungen und in-plane Anordnungen. Die Synthese quaternärer MAX Phasen in Dünnschichtform ist ein neu entstehendes, schnell wachsendes Themenfeld in der Materialwissenschaft und Werkstofftechnik. Jedoch sind in der Literatur bisher keine Berichte über eine erfolgreiche Synthese quaternärer MAX Phasen Dünnschichten mit den genannten chemischen Ordnungszuständen bekannt. Im Rahmen des vorgeschlagenen Projektes soll die Synthese neuer einphasiger quaternärer MAX Phasen Dünnschichten mit statistischer Anordnung in den M-Lagen, und ebenso mit den genannten chemischen Ordnungzuständen in den M-Lagen in 3 Modellsystemen (Cr- M″-Al-C wobei M″ jeweils ein Metall aus der Gruppe V, Ti, Zr ist) untersucht werden. Dies wird erreicht durch eine Transformation nanoskaliger Viellagenschichten aus periodisch gestapelten individuellen Element-Lagen mit vordefiniertem nanostrukturellem Design (sogenannte “Dünnschicht-Prekursoren”) mittels geeigneter Wärmebehandlungsverfahren. Zur Herstellung der Dünnschicht-Prekursoren wird ein experimenteller kombinatorischer Ansatz für die Schichtabscheidung genutzt. Die wissenschaftlichen Ziele dieses Vorhabens umfassen 1) das Verständnis der Phasen – und Mikrostrukturbildung der quaternären MAX Phasen Dünnschichten mit verschiedenen Ordnungszuständen und der zugrundeliegenden Reaktionsmechanismen während der Wärmebehandlung der nanostrukturierten Viellagenschichten, und 2) die Erarbeitung der Zusammenhänge zwischen Zusammensetzung, Mikrostruktur und Eigenschaften dieser MAX Phasen Dünnschichten. Die Wärmebehandlung der Dünnschicht-Prekursoren umfaßt Heiz-Experimente mit unterschiedlichen Heizraten und unterschiedlicher Kinetik (z.B. Prozesse mit sehr geringen und mit hohen Heizraten). An ausgewählten Proben werden Untersuchungen unter Verwendung eines neu entwickelten Dünnschichtkalorimeters durchgeführt. Die wissenschaftliche Arbeit basiert auf einer intensiven Charakterisierung der Dünnschichten mit Methoden mit atomarer Auflösung. Das vorgeschlagene Forschungsvorhaben wird so zur Entwicklung geeigneter Designs von Dünnschicht-Prekursoren und Wärmebehandlungsprozesse für die Synthese phasenreiner quaternärer MAX Phasen Dünnschichten beitragen. Der wissenschaftliche Output wird insbesondere zu einem Verständnis der Bedeutung lokaler chemischer und mikrostruktureller Charakteristika für die Ausprägung der Eigenschaften solcher neuen MAX Phasen Dünnschichtwerkstoffen führen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen