Selbstorganisiertes Wachstum nanoskaliger Multilagenschichten bei der Kodeposition niederenergetischer Metall- und Kohlenstoffionen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Metall-Kohlenstoff Nanokompositschichten werden hinsichtlich möglicher funktionaler Beschichtungen für unterschiedliche Anwendungsbereiche untersucht oder sind bereits in der Anwendung. Hierzu gehören tribologische, d.h. harte bzw. abreibfeste Beschichtungen, biokompatible Beschichtungen, magnetische Beschichtungen oder Beschichtungen für optische Anwendungen, z.B. für Solarabsorber. Hierfür ist es wichtig, möglichst homogene Dünnschichten zu erzeugen und dabei die Konzentration und Größe der in die amorphe Kohlenstoffmatrix (a-C) eingebetteten Metallcluster zu kontrollieren. Unsere Arbeitsgruppe hat sich mit der Ionenstrahlsynthese solcher Materialien befasst, und dabei einen bisher nicht bekannten Effekt der Selbstorganisation beobachtet. Dieser Effekt führt zu Ausbildung von Multilagenstrukturen, bestehend aus in der Regel nanokristallinen Metallschichten von wenigen Nanometern (nm) Dicke, getrennt von ebenfalls wenige nm dicken Kohlenstoffschichten. Für solche Multilagenschichten erwartet man drastisch veränderte Eigenschaften verglichen mit dem homogenen Nanokompositmaterial. Im Rahmen des Projektes wurde in Zusammenarbeit mir der Taiwan-Gruppe die Selbstorganisation dieser Multilagenschichten systematisch untersucht. Besonders unsere Methode der Ionendeposition erlaubte systematische Messungen als Funktion unterschiedlicher definierter Prozessparameter. Es ist uns gelungen eine Modellvorstellung zu entwickeln und experimentell zu verifizieren deren Kernpunkt ein dynamisches Verhalten von Oberflächensegregation und Sputtererosion während des Schichtwachstums ist. Wir konnten die Vorhersagen des Modells anhand einiger a-C:Metall System testen und sind nun in der Lage die Wachstumsbedingungen so zu kontrollieren das gezielt entweder homogene Nanokomposite oder aber Multilagenschichten erzeugt werden können. Als Kontrollparameter haben wir eine effektive Sputterausbeute SM für die Erosion von Metallclustern an der Schichtoberfläche identifiziert. Diese kann mit Hilfe der Prozessgrößen „Ionenenergie“ und „Ionnenflussverhältnis“ einfach berechnet werden und trennt die Wachstumsbereiche „Multilagen“ bzw. „homogenes Nanokomposit“ bei dem Wert SM = 1. Dieser Kontrollparameter kann auch auf andere Schichtwachstumsmethoden übertragen werden. In neueren Arbeiten anderer Gruppen wurden nun bei anderen Schichtwachstumsverfahren auch solche Selbstorganisationseffekte beobachtet. Es handelt sich also um ein generelles Phänomen beim Wachstum dünner Schichten, das unter bestimmten durch unseren Kontrollparameter definierten Prozessbedingungen auftreten kann. Als Ergebnis unseres Projektes kann die unbeabsichtigte Bildung von Multilagenstrukturen gezielt vermieden werden. Zudem ist es möglich homogene a-C:Metall Nanokomposite mit äußerst geringen Metall-Clustergrößen < 3 nm herzustellen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Self-organized Nanoscale Multilayer Growth in Hyperthermal Ion Deposition, Phys. Rev. B70 (2004) 245418
I. Gerhards, H. Stillrich, C. Ronning, H. Hofsäss and M. Seibt
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Dissertation, Universität Göttingen, 2006 Self-organized formation of metal-carbon nanostructures by hyperthermal ion deposition
Inga Hannstein, geb. Gerhards
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Mater. Res. Soc. Symp. Proc. 941:Q08- 22 (2006). on-line publication, Magnetic Rare Earth (Gd) implanted Tetrahedral Amorphous Carbon
L. Zeng, E. Helgren, H. Zutz, C. Ronning, F. Hellman
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Self-assembled nano-scale multilayer formation using physical vapor deposition methods, Nucl. Instr. Meth. 242 (2006) 261-264
C. Ronning, I. Gerhards, M. Seibt, H. Hofsäss, W.Y. Wu, J. M. Ting
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Self-organized nanoscale multilayer growth during the deposition of hyperthermal species, Rev. Adv. Mat. Sci. 15 (2007) 241
H. Zutz, I. Gerhards, C. Ronning, H. Hofsäss, M. Seibt, W.Y. Wu, J.-M. Ting
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Comparative study of self-assembling of multilayers using reactive sputter deposition and mass selective ion beam deposition, Diam. Relat. Mater. 17 (2008) 1494
Wan-Yu Wu, Jyh-Ming Ting, H. Zutz, D. Lyzwa, I. Gerhards, C. Ronning, H. Hofsäss
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Dissertation, Universität Göttingen, 2009 Growth and characterization of carbon-metal-nanocomposite-thin-films and self-organized layer growth
Hayo Zutz
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Self-organized formation of layered carbon-copper nanocomposite films by ion deposition, Nucl. Instr. Meth. B 267 (2009) 1356
H. Zutz, D. Lyzwa, C. Ronning, M. Seibt and H. Hofsäss
