Kinetik und Thermodynamik dünner Schichten an der Grenze zwischen kohärenter und inkohärenterPhasenumwandlung

• Antragstellerin: Professorin Dr. Astrid Pundt
• Fachliche Zuordnung: Thermodynamik und Kinetik sowie Eigenschaften der Phasen und Gefüge von Werkstoffen
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 250278176

Phasengrenzen und -stabilitäten dünner Legierungsschichten unterscheiden sich deutlich von denen massiver Legierungen. Mechanische Spannungen spielen hierbei eine entscheidende Rolle. Kürzlich berechneten Nörthemann et al. für Niob-Wasserstoff (Nb-H) -Schichten, dass unterhalb einer kritischen Schichtdicke von d_c=27 nm kohärente Hydride energetisch bevorzugt sein sollten. Dies resultiert aus der Haftung am starren Substrat, bei 300 K. Unterhalb von d_c sollten die an den Hydrid-Metall-Grenzflächen auftretenden mechanischen Spannungen nicht mehr plastisch abgebaut werden können. Folglich würden die Schichteigenschaften bei d_c in zwei unterschiedliche Regimes getrennt: für dd_c ein inkohärentes Niedrigpannungsregime. Aufgrund dieser erwarteten Änderung der Kohärenz und der mechanischen Spannungen sollten sich bei d_c die Thermodynamik und Kinetik der Hydridbildung sowie deren Morphologie und laterale Ausdehnung ändern.Während oberhalb von d_c die klassische Gibbssche Thermodynamik das System beschreibt, muss unterhalb die kohärente Thermodynamik berücksichtig werden. Diese Thermodynamik, für offene Systeme s. z.B. Schwarz et al., sagt neuartiges Verhalten vorher, wie Phasengrenzen, die von der Richtung der Phasenumwandlung abhängen (zwei gegeneinander verschobene Mischungslücken) und eine thermodynamische Hysterese.Wir erwarten für dd_c erwarten wir 1) inkohärente Hydride und Versetzungen, 2) mechanische Spannungen weit unterhalb des theoretischen Limits, 3) klassische Gibbssche Thermodynamik mit einer Mischungslücke, eine schmale Hysterese, 4) schnelle Phasenumwandlung insbesondere nach Versetzungsbildung, 6) von der Probenhistorie abhängende Eigenschaften und 7) präferentielle Hydridbildung in plastisch deformierten Bereichen.In diesem Projekt soll die Existenz der kritischen Schichtdicke d_c nachgewiesen und deren Auswirkungen am Modellsystem Nb-H untersucht werden. Wir wollen dies mit sich ergänzenden Methoden wie u.a. in-situ-STM, in-situ-XRD, in-situ-Widerstandsmessung und Messung der Substratkrümmung studieren. Aufgrund ihres Modellcharakters sollten die Ergebnisse grundlegende Einblicke in die Physik der Entmischung dünner Legierungsschichten bei d_c geben. Die Ergebnisse sollten sich auf andere auf Substraten fixierte Nanosysteme übertragen lassen, die an der jeweiligen kritischen Systemgröße durch den mechanischen Spannungszustand in ihren Phasenstabilitäten verändert werden könnten. Weiterhin erlaubt die Studie, die Vorhersagen des thermodynamischen Modells von Schwarz et al. zu verifizieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen