Realstruktur von dünnen nanokristallinen Schichten

Präsentation zum Thema: "Realstruktur von dünnen nanokristallinen Schichten"—  Präsentation transkript:

1 Realstruktur von dünnen nanokristallinen Schichten
David Rafaja Institut für Metallkunde

2 Mitautoren Herstellung der Proben Strukturanalytik
Dr. M. Šíma, SHM Company Strukturanalytik Dr. V. Klemm, R. Popp – TEM Dipl.-Phys. G. Schreiber, Dipl.-Ing. B. Jurkowska, U. Franzke – XRD Dr. M. Knapp – XRD (HASYLAB) Dr. D. Heger – EPMA

3 Anwendungsbereiche nanokristalliner Schichten
Hohe mechanische Härte, gute Adhäsion, gute Verschleißfestigkeit und gute chemische Beständigkeit auch bei hohen Temperaturen Harte Schutzschichten (Bohrer, Fräsen, Wendeplatten) Korrosionsschutzschichten

4 Harte Werkstoffe im Vergleich

5 Die Materialeigenschaften
sind durch die Kristallstruktur (chemische Zusammensetzung und Phasenzusammensetzung) bestimmt die Mikrostruktur (Kristallitgröße, Eigenspannungen, Textur) stark beeinflusst

6 Grundlagen der „size-strain“ Analyse
Reziprokes Gitter Size-Effekt (Kristallitgröße): Konstante Verbreiterung der reziproken Gitterpunkte Strain-Effekt (Mikrospannung): Verbreiterung der reziproken Gitterpunkte nimmt mit zunehmender Länge des Beugungsvektors zu 020 120 220 010 110 210 100 200 000

7 Methoden der „size-strain“ Analyse
Scherrer Formel – Mikrospannung ist vernachlässigbar Williamson-Hall-Abhängigkeit Fourier Analyse der Beugungslinien: Gaußförmig  Mikrospannung Cauchyförmig  Kristallitgröße

8 Experimentelle Ergebnisse – XRD
HASYLAB, B2  = 1.13 Å Kristallanalysator [Si mono (111)]

9 Experimentelle Ergebnisse – HRTEM
Kristallitgröße  3 – 5 nm Linescan entlang der markierten Linie

10 Ausbildung der nanokristallinen Domänen
Spinodale Entmischung Bereiche mit unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung (mit unterschiedlichen Gitterparametern): Ti-reiches und Al-reiches (Ti, Al) N.

11 Mikrohärte und Makrospannung
Dominante Phase fcc TiAlN hex AlN

12 Effekt der Kristallitgröße
Die Linienverbreiterung ergibt sich aus der Fourier Transformation der Kristallitgröße … für sphärische Kristallite mit der Kristallitgröße D

13 Kohärenz der Nachbardomänen
Reziprokes Gitter Kristallite im direkten Raum

14 Maximaler Drehwinkel der Kristallite
q B Grad der Kohärenz der Kristallite mit einer Vorzugsorientierung (G ist die Breite der Texturfunktion):

15 Linienverbreiterung aufgrund von kohärenten Kristalliten
Abschätzung der Linienverbreiterung D   e  16 x 10-3 Die gemessene Linienbreite hängt vom Beugungsvektor, von der Kristallitgröße und der Vorzugsorientierung ab

16 Kinematische Beugungstheorie
D 

17 Ergebnis der kinematischen Beugungstheorie
Kristallite mit Vorzugsorientierung Kristallite ohne Vorzugsorientierung

18 Linienverbreiterung aufgrund von kohärenten Kristalliten
Weighting factor: Grad der Kohärenz der benachbarten Kristallite – hängt von der Kristallitgröße und von der Breite der Texturfunktion ab Interference factor: Oszillierende Funktion, die den breiten Strukturfaktor von nanokristallinen Domänen multipliziert Line width: wird bei kleinem q durch die Kohärenzlänge der Strahlung bestimmt, im mittleren q-Bereich durch die Teilkohärenz der Teilchen und bei großen q-Vektoren durch die eigentliche Kristallitgröße

19 Vergleich mit Experiment
D = 2.4 nm G = 2.4° D = 8.0 nm G = 1.5°

20 Vorzugsorientierung der Kristallite
P = 31° G = 1.5° P = 14°

21 Resümee – Beugungstheorie
Für sehr kleine Beugungsvektoren (q  0) ist die Linienbreite reziprok der Kristallitgröße Im mittleren Bereich des Beugungsvektors (teilweise kohärente Kristallite) nimmt die Linienbreite mit zunehmendem Beugungsvektor zu Im Bereich der großen Beugungsvektoren ist die Linienbreite konstant und reziprok der tatsächlichen Kristallitgröße – die Kristallite sind nicht kohärent

22 Resümee – Realstruktur
Nanokristalline Domänen entstehen wahrscheinlich durch spinodale Entmischung Die Folgen Räumliche Änderung der chemischen Zusammensetzung Große Eigenspannungen erster Art Kleine Kristallitgröße (Größe der kohärenten Domänen) Hohe Mikrohärte des Materials bei guter Adhäsion bis zu hohen Temperaturen

23 Ein ungeklärtes Problem
Wie wirkt die Mikrostruktur der nanokristallinen Schichten (Kristallitgröße, Textur, Eigenspannung) auf ihre mechanischen Eigenschaften (Rissverbreiterung, Bewegung der Versetzungen, …) Eine Aufgabe für Metallkunde

24 Veröffentlichungen D. Rafaja, M. Šíma, V. Klemm, G. Schreiber, D. Heger, L. Havela and R. Kužel: X-ray diffraction on nanocrystalline (Ti,Al)N thin films, J. Alloys Comp. (2004), in press. D. Rafaja, V. Klemm, G. Schreiber, M. Knapp and R. Kužel: Interference phenomena observed by X-ray diffraction in nanocrystalline thin films, J. Appl. Cryst. (2004), in press. D. Rafaja: Functional cubic thin films – a structure view, Adv. Eng. Mater. (2004), in press.