Gepulste Metallurgie zur 2-dimensionalen Strukturierung von metallischen Dünnschichten und Oberflächen

• Antragsteller: Dr.-Ing. Karsten Woll
• Fachliche Zuordnung: Metallurgische, thermische und thermomechanische Behandlung von Werkstoffen ; Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 325754192

Maximale Festigkeit kombiniert mit maximaler Verformbarkeit ist eine zentrale Leitlinie für die Entwicklung zukünftiger metallischer Werkstoffe. Die Umsetzung ist jedoch herausfordernd, da sich beide Eigenschaften in der Regel ausschließen. Das Gefügedesign ist zentral, um diesem „trade-off“ entgegenzuwirken. In diesem Sinne erarbeitet die Emmy-Noether-Gruppe „gepulste Metallurgie“ für metallische Dünnschichten, ein Konzept zum Gefügedesign metallisch-intermetallischer Nanokomposite. Im vorliegenden Projekt wird gepulste Metallurgie zur Strukturierung von metallischen Dünnschichten und Oberflächen weiterentwickelt. Al/Ni-Multischichten dienen als Modellsystem. Diese werden global thermisch gepulst während eine Strukturierungsmaske als Wärmesenke dient. Aussparungen in Form der Strukturierungselemente unterbrechen lokal den Wärmefluss durch die Maske, sodass ein „Temperatur-Hotspot“ entsteht. Ein Vorteil ist insbesondere der quasi-stationäre Zustand in der Strukturgeometrie (Temperaturverteilung). Die Kinetik der im Hotspot induzierten metallurgischen Prozesse (Kornwachstum, Phasenumwandlung) kann in einem größeren zeitlichen Fenster ausgenutzt und das Gefüge in einem breiteren Spektrum eingestellt werden. Die Gefügeentwicklung im Hotspot kann jedoch nicht a priori aus den Erkenntnissen der gepulsten Metallurgie abgeleitet werden. Dies liegt am potentiellen Einfluss von Substrat und Strukturierungsmaske, insbesondere während des Abschreckens mit Raten von mehreren 10000 K/s. Es werden Phasenumwandlungen unter der thermischen Historie des Hotspots analysiert und die Geometrietreue beurteilt. Besonders herausfordernd ist das Messen des zeitlichen Temperaturverlaufs sowie die thermodynamische und kinetische Quantifizierung von Phasenumwandlungen im Hotspot. Es wird eine Methode entwickelt, mit der die Umwandlungen unter Strukturierungsbedingungen thermodynamisch und kinetisch analysiert werden können. Ein Modellexperiment zur Strukturierung wird mit einem zur thermodynamischen/kinetischen Analyse korreliert. Beide basieren auf der Messung der zeitlichen Änderung des elektrischen Widerstands – im Strukturierungsexperiment während der Strukturierung und im Analyseexperiment während der resistiven pulsartigen Erwärmung der Proben in Dünnschichtheizern. Phasenumwandlungen induzieren in beiden Experimenten Peaks in der zeitlichen Ableitung des Widerstands. Durch Heizratenvariationen im Analyseexperiment können die Peaklagen angeglichen werden und vergleichbare thermische Historien erzeugt werden. Begleitet werden die thermischen Analysen durch transmissionselektronische Gefügeuntersuchungen, um Effekte, die durch die Lokalisierung der Phasenumwandlung entstehen, offen zu legen. Mechanisch interessante Strukturierungsbedingungen werden in Nanoindentationsmessungen identifiziert. Schlussendlich erlaubt die Kombination aus thermischer Analyse, Gefügeanalyse und Messung der mechanischen Eigenschaften eine Identifikation von Gefüge-Eigenschaftskorrelationen.

• DFG-Verfahren: Emmy Noether-Nachwuchsgruppen