Realstruktur von dünnen nanokristallinen Schichten David Rafaja Institut für Metallkunde

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

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

Harte Werkstoffe im Vergleich

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

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

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

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

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

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

Mikrohärte und Makrospannung Dominante Phase fcc TiAlN hex AlN

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

Kohärenz der Nachbardomänen Reziprokes Gitter Kristallite im direkten Raum

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

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

Kinematische Beugungstheorie D 

Ergebnis der kinematischen Beugungstheorie Kristallite mit Vorzugsorientierung Kristallite ohne Vorzugsorientierung

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

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

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

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

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

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

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.