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

• Erstellungsjahr: 2023

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Seit Jahren erforscht die Emmy-Noether-Gruppe „gepulste Metallurgie“ für metallische Dünnschichten, um auf Nanoskala Gefügezustände mit interessanten mechanischen Eigenschaften einzustellen. Al/Ni-Multischichten dienen als Modellsystem. Das vorliegende Projekt erweitert diese Ansätze zur 2-dimensionalen Strukturierung. Wir applizieren nun jedoch eine Wärmesenke mit Aussparung in Form der Strukturierungsgeometrie, um einen lokalen Temperaturhotspot zu erzeugen. Wir belegen erstmals, dass dieser Strukturierungsansatz erfolgreich ist und präsentieren Ergebnisse, die die Gefügeentwicklung im Temperaturhotspot beschreiben. Eine Methodik, um die Umwandlungen direkt im Hotspot zu charakterisieren, wurde erstmals entwickelt. Hierzu ist ein Strukturierungsexperiment entwickelt worden, in dem wir über resistive Erwärmung der Dünnschicht bei gelichzeitiger Messung des elektrischen Widerstandes im Bereich des Hotspots auf Anzahl und Temperatur der Gefügeumwandlungen rückschließen können. Die Gefügeumwandlungen zeigen sich durch erhöhte bzw. stark ansteigende Widerstandswerte. Der Rückschluss auf die Umwandlungen ist nur indirekt möglich. Wir vergleichen die Widerstandsdaten mit denen aus einem separat durchgeführte Analyseexperiment. Letzteres nutzt Dünnschichtheizer in Spiralgeometrie – jedoch ohne Wärmesenke. Der Vergleich der Widerstandsänderungen mit der Temperatur in beiden Experimenten erlaubt den Rückschluss, dass im Hotspot die Temperatur bei etwa 350 °C gelegen haben muss und eine erste Phasenumwandlung induziert wurde. Gefügeuntersuchungen im Transmissions- und Rasterelektronenmikroskop untermauern diesen Befund. Abschließende mechanische Untersuchungen mittels Nanoindentation im Analyseexperiment zeigen, dass unter dieser thermischen Historie eine Verdopplung der Härte denkbar ist, die mittels Strukturierungsmaske auf einer Oberfläche lokalisiert werden kann. Dies kann beim Einstellen mechanischer Eigenschaften von Dünnschichten und Oberflächen ausgenutzt werden.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Heterogeneous microstructures tuned in a high throughput architecture. Materials & Design, 229, 111834.
  Short, M.; Müller, J.; Lee, S.; Fornasier, H.; Köhler, U.; Ott, V.; Stüber, M.; Gerdes, B.; Rupp, T.; Kirchlechner, C. & Woll, K.