Oszillationen bei MOCVD Prozessen und ihr Potenzial für die Herstellung von modulierten keramischen Schutzschichten

• Applicants: Professor Dr. Claus-Peter Klages; Dr. Peter Mechnich
• Subject Area: Materials Engineering
• Term: from 2007 to 2011
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 42123313

Mittels chemischer Gasphasenabscheidung aus metallorganischen Precursoren und Sauerstoff als Träger- und Reaktionsgas {metal-organic chemical vapor deposition, MOCVD) wurden unter Einsatz der Flash-Verdampfung keramische Schichten im System Y2O3-AI2O3 mit unterschiedlicher Stöchiometrie hergestellt. Die Schichten weisen ein ausgeprägtes lamellares Gefüge auf. Versuchsreihen mit systematischer Variation ausgewählter Beschichtungsparameter zeigen eine hohe Komplexität des Schichtwachstums. Besonders homogene Lamellen wurden beispielsweise bei Schichten mit einer Zusammensetzung nahe der YAG-Stöchiometrie (Yttrium-Aluminium- Granat Y3AI5O12), bei einer niedrigen Beschichtungstemperatur (900 C) oder einer hohen Precursorzufuhr beobachtet. Eine nähere Untersuchung des lamellaren Gefüges ausgewählter Schichten mittels hochauflösender EDX-Analyse zeigte periodische Oszillationen der chemischen Zusammensetzung mit einer Schwankungsbreite von bis zu 10 Mol-%, und einer Periodenlänge von ca. 250 nm. Diese Beobachtung kann möglicherweise durch Konzentrationsschwankungen der Reaktanden erklärt werden, welche aufgrund gering abweichender Verdampfungsraten der Precursoren verursacht werden. Eine zentrale Rolle beim lamellaren Wachstum könnte auch dem an der Grenzschicht zwischen Substrat und Gasphase nur begrenzt verfügbaren Sauerstoff zugerechnet werden. Ein temporäres Sauerstoffdefizit würde aufgrund des unterschiedlichen Oxidationsverhaitens der metallorganischen Precursoren zu einer selektiven Oxidation und nachfolgend zu einer Phasenseparation führen. Mikrostrukturelle Betrachtungen zeigen, dass die grobskaligen Lamellen mit einer Dicke von ca. 250 nm noch in sehr viele kleinere Lamellen unterteilt werden können. Hier spielen vermutlich komplexe, sich gegenseitig beeinflussende Effekte wie variable Absorption und metastabile Phasenbeziehungen eine dominierende Rolle. Neben der lamellaren Mikrostruktur wurde die Ausbildung verschiedener Mesostrukturen (dicht, porös, kolumnar) beobachtet, welche anscheinend aufgrund von unterschiedlich starken Eigenspannungen einen Einfluss auf die Neigung einer Schicht zur Delamination haben. Nach ersten Erkenntnissen wird die Ausbildung der Mesostruktur von der Anströmung der Substratoberfläche bzw. der Substratgeometrie signifikant beeinflusst. Analog zum binären System Y2O3-AI2O3 wurden erste Schichten im ternären System Y2O3-AI2O3- ZrO2 hergestellt. Diese zeigen ein sehr ausgeprägtes lamellares Schichtwachstum, welches durch eine gegenphasige Oszillation des Gehalts von AI2O3 und ZrO2 bei nahezu konstantem Y2O3- Gehalt gekennzeichnet ist. Dies kann zwanglos mit der fehlenden Mischkristallbildung zwischen AI2O3 und ZrO2 sowie gleichzeitig weitgehender Mischkristallbildung sowohl zwischen Y2O3 und ZrO2 als auch zwischen Y2O3 und AI2O3 erklärt werden. Die Schichten des ternären Systems erscheinen hinsichtlich ihrer Morphologie sowie ihrer thermischen und chemischen Eigenschaften als sehr interessante Hochtemperatur-Schutzschichten.

• DFG Programme: Research Grants