Modellierung und experimentelle Untersuchungen von VN/TiN Grenzflächen und Oberflächen

01.02.2008 - 31.01.2009
Forschungsförderungsprojekt
Aus der Literatur ist es wohlbekannt, dass in TiN/VN Schichten bei höheren Temperaturen Interdiffusion auftritt, was zum Abbau der Schichthärte führen kann. Dabei diffundiert aber auch V an die Oberfläche der Schicht, wo es mit Luft Oxidschichten vom Typ der Magnéli-Phasen bildet. Das diesen Phasen zugeordnete V2O5 weist einen niedrigen Schmelzpunkt von 685°C auf und führt durch die Bildung eines wenige Nanometer dünnen Schmelzfilmes auf der Schicht bei erhöhten Temperaturen zu selbstschmierenden Eigenschaften. Dies kann signifikant die Lebenszeit und Leistung von Schneidwerkzeugen erhöhen und ist daher sowohl aus ökonomischen als auch ökologischen Gesichtspunkten eine große Motivation zur Entwicklung optimaler Designkriterien für Beschichtungen. Der vorliegende Antrag zielt auf die Untersuchung von atomaren Prozessen, welche die Funktionalität von selbstschmierenden TiN/VN Multilagen kontrollieren. Dies soll durch eine Kombination von Experiment und ab-initio Modellierung erreicht werden und eine Einsicht in die physikalischen und chemischen Eigenschaften von VN und TiN Grenzflächen auf atomarer Ebene erlauben. Dadurch gewinnt man ein tieferes Verständnis für komplexere Schichtsysteme, z.B. TiAlN/VN Multilagenschichten oder V legierten TiAlN Schichten. Das Zusammenspiel zwischen Oberflächen- und Grenzflächenorientierung, innerer Spannungen, und der Diffusion von V durch TiN Lagen in Abhängigkeit des N-Gehalts der Schicht soll analysiert werden, um das Design von auf TiN/VN Multilagen basierenden Beschichtungen zu optimieren. Während der ersten zwei Projektjahre lag das Hauptaugenmerk auf dem Wachstum und der Modellierung von (100) und (111) orientierten TiN/VN Schichten mit einkristalliner Qualität mittels Magnetronsputtern und ab-initio Rechnungen basierend auf der Dichtefunktionaltheorie DFT. Nach einer Analyse der chemischen Zusammensetzung und eines Vergleichs mit der ab-initio Modellierung, liegt der Schwerpunkt im beantragten dritten Jahr auf (i) der detaillierten atomaren Struktur der Grenzfläche von (100) und (111) orientierten TiN/VN Multilagen, wobei wieder die experimentellen Ergebnisse mit den ab-initio Modelldaten verglichen werden. Die chemische Zusammensetzung, Defekte und Spannungen in den Schichten werden berücksichtigt, (ii) TiN/VN Interdiffusionsmechanismen und Kinetik in Kombination mit einer ab-initio Modellierung der Diffusionsprofile innerhalb der Schichten und durch die Grenzschichten studiert, und (iii) wird zusätzlich die Interdiffusion von polykristallinen Multilagen analysiert und mit den Einkristallresultaten verglichen.

Personen

Projektleiter_in

Projektmitarbeiter_innen

Institut

Förderungsmittel

  • Österreichische Forschungsförderungsgesellschaft mbH (FFG)

Forschungsschwerpunkte

  • Computational Science and Engineering
  • Materials and Matter

Schlagwörter

DeutschEnglisch
Grenzflächen Interfaces
Nano-BeschichtungenNano-Coatings
TiN / VN ÜbergitterTiN / VN Superlattice
OberflächenSurfaces
Diffusiondiffusion

Externe Partner_innen

  • Erich Schmid Institut für Materialwissenschaft der Österreichischen Akademie der Wissenschaften
  • Montanuniversität Leoben - Institut für Metallkunde und metallische Werkstoffe