Untersuchung der Thermischen Stabilität und des Oxidationsverhaltens von (V,Al)(O,N)- und (Cr,Al)(O,N)-Dünnschichten

• Antragsteller: Dr.-Ing. Marcus Hans; Professor Jochen M. Schneider, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Beschichtungs- und Oberflächentechnik ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 515702322

Der Einbau von Sauerstoff in metastabile, kubische Übergangsmetall (TM)-Aluminium-Nitride erscheint auf Grund kürzlicher Studien attraktiv. So konnte die thermische Stabilität von (Ti,Al)N durch Einlagerung von 15 at.% Sauerstoff in (Ti,Al)(O,N) erhöht werden, da höhere Temperaturen benötigt werden, um Mobilität auf dem Nicht-Metall-Untergitter zu aktivieren und die Wurtzit-Phase zu bilden. Hingegen wurde der Effekt von chemischen Zusammensetzungsvariationen auf die thermische Zersetzung sowie Oxidationsbeständigkeit der Systeme (V,Al)(O,N) sowie (Cr,Al)(O,N) bisher nicht systematisch untersucht. Somit sind die zugrundeliegenden Mechanismen auf der atomaren Ebene nicht verstanden und es fehlt ein systematischer Datensatz, welcher den Vergleich hinsichtlich der Zersetzungstemperaturen sowie der Oxidationskinetik in (TM,Al)(O,N) ermöglicht. In diesem Projekt werden einphasige, metastabile, kubische (TM0.5Al0.5)(OyN1-y)-Dünnschichten mit TM = V, Cr und y = 0, 0.2, 0.4 über gepulstes Hochleistungsmagnetronsputtern synthetisiert. Diese Filme werden im Vakuum als auch in der Umgebungsatmosphäre geglüht und über Ionenstrahlanalytik, Beugung, Nanoindentation sowie Mikroskopie und Tomographie charakterisiert. Diese Strategie erlaubt es relevante Mechanismen der thermischen Zersetzung sowie der Oxidschicht-Bildung zu verstehen. Der vollständige Datensatz von sowohl Zersetzungstemperaturen als auch der Temperatur- und Zeitabhängigen Oxidationskinetik ermöglicht einen unmittelbaren und systematischen Vergleich des Einflusses von Übergangsmetallen TM = V, Cr und Sauerstoff-Gehalten y = 0, 0.2, 0.4 auf (TM0.5Al0.5)(OyN1-y)-Schichten. Somit werden drei spannende Forschungsfragen (RQ) adressiert: RQ1 Welche Mechanismen begrenzen die thermische Stabilität gesputterter (V0.5Al0.5)(OyN1-y)- und (Cr0.5Al0.5)(OyN1-y)-Filme mit y = 0, 0.2, 0.4? RQ2 Welche Mechanismen definieren das Zusammensetzungsabhängige Oxidationsverhalten von (V0.5Al0.5)(OyN1-y) und (Cr0.5Al0.5)(OyN1-y) mit y = 0, 0.2, 0.4? RQ3 Ist die spinodale Zersetzung eine notwendige Bedingung für die Bildung der Wurtzit-Phase in (TM0.5Al0.5)(OyN1-y) mit TM = V, Cr und y = 0, 0.2, 0.4? Die Nutzung von höchstauflösenden Charakterisierungsmethoden hat eine Schlüsselrolle in diesem Projekt. Während die Elektronenmikroskopietomographie für die Auswertung der Oxidschichtbildung Anwendung findet, wird die Struktur und Zusammensetzung auf nahezu atomarer Ebene über Transmissionselektronenmikroskopie und Atomsondentomographie korreliert. Damit wird darauf abgezielt das Verständnis der Mechanismen, welche die thermische Stabilität sowie das Temperatur- und Zeitabhängige Oxidationsverhalten dominieren, zu verbessern. Wir antizipieren, dass das hier gewonnene Verständnis aus dem vollständigen Datensatz an (V0.5Al0.5)(OyN1-y) und (Cr0.5Al0.5)(OyN1-y)-Filmen mit y = 0, 0.2, 0.4 das Design neuer Schutzschichten mit erhöhter thermischer und chemische Stabilität ermöglicht.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen