Einfluss der Superlattice-Struktur auf die mechanischen Eigenschaften dünner Übergangsmetall-Diborid-Schichten

Abstract

Superlattice (SL) structures enable the simultaneous enhancement of hardness and fracture toughness of thin film materials. While a deeper understanding of this effect has been gained mainly for coatings composed of binary transition metal nitrides (TMN), no knowledge is yet available for systems based on diborides (TMB2).The present thesis investigates the influence of an SL structure on the mechanical properties of diboride coatings. For this purpose, the systems TiB2/WB2 und TiB2/ZrB2, the former is characterised by a high difference in shear modulus, and the latter features a high lattice mismatch of the participating layer materials, have been chosen. The coatings are deposited with varying bilayer periods (Λ) using non-reactive unbalanced magnetron sputtering (UBMS). This is followed by the determination of the hardness via nanoindentation, the fracture toughness Kc using the indentation microfracture method as well as KIc via micromechanical bending tests of free-standing and stress-free microcantilevers.For the TiB2/WB2 coatings, a hardness trend dependent on the bilayer period is obtained with a maximum of 45.5 ± 1.3 GPa, which corresponds to an increase of 5.8 % compared to the harder monolithic WB2 coating. The values of the TiB2/ZrB2 system feature a hardly perceptible dependence on the bilayer period and the maximum hardness is 41.8 ± 1.2 GPa, thus exceeding the value of the harder monolithic TiB2 coating by 1.7 %.In the single-digit bilayer period range relevant to the SL effect, the Kc and KIc values of the TiB2/WB2 system show little variance and are on average 3.76 ± 0.14 and 2.69 ± 0.02 MPa√m, respectively. In contrast, the fracture toughness of the TiB2/ZrB2 system increases up to Kc = 3.91 ± 0.23 MPam1/2 and KIc = 3.70 ± 0.26 MPam1/2 for Λ = 4 nm, which results in exceeding the values for the tougher monolithic coating by 41.1 and 19.7 %, respectively.These results are discussed using further analytic methods, such as X-ray diffraction analysis (XRD), energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX) and white light interferometry (WLI), combined with an extensive literature review to gain insight into the underlying mechanisms and eventually to obtain a general understanding of these material systems.

Superlattice- (SL-) Strukturen ermöglichen die gleichzeitige Erhöhung der Härte und der als kritisch einzustufenden Bruchzähigkeit dünner keramischer Schichten. Während ein tiefergehendes Verständnis dieses Effektes vor allem für die aus binären Übergangsmetall-Nitriden (TMN) zusammengesetzten Schichten erlangt wurde, liegen zum jetzigen Zeitpunkt keinerlei Erkenntnisse für die auf den Diboriden (TMB2) basierenden Systeme vor.Diese Abhandlung untersucht den Einflusses einer SL-Struktur auf die mechanischen Eigenschaften der Diborid-Schichten. In diesem Sinne werden die Systeme TiB2/WB2 und TiB2/ZrB2, wobei sich Ersteres durch einen hohen Schubmodul- und Letzteres durch einen hohen Gitterparameterunterschied der teilhabenden Lagenmaterialien auszeichnet, mit variierenden Lagenperioden (Λ) und unter Anwendung des nichtreaktiven Unbalanced Magnetron-Sputtering Prozesses (UBMS) abgeschieden. Dem folgt die Bestimmung der Härte mittels Nanoindentierung, der Bruchzähigkeit Kc unter dem Einsatz der Indentation Microfracture Methode und KIc über mikromechanische Biegeversuche an freistehenden und nicht unter dem Einfluss der Schichteigenspannungen stehenden Microcantilevern.Für die TiB2/WB2-Schichten ergibt sich ein von der Lagenperiode abhängiger Härteverlauf mit einem Maximum von 45,5 ± 1,3 GPa, was einer Steigerung von 5,8 % gegenüber der härteren monolithischen WB2-Schicht entspricht. Der Härteverlauf des TiB2/ZrB2-Systems zeichnet sich durch eine kaum vernehmbare Abhängigkeit von Λ aus und der maximale Wert beträgt 41,8 ± 1,2 GPa, womit die härtere monolithische TiB2-Schicht um 1,7 % übertroffen wird.In einem für den SL-Effekt relevanten einstelligen Lagenperiodenbereich weisen die Kc- und KIc-Werte des TiB2/WB2-Systems eine geringe Varianz auf und betragen durchschnittlich 3,76 ± 0,14 und 2,69 ± 0,02 MPam1/2. Im Gegensatz dazu steigt die Bruchzähigkeit des TiB2/ZrB2-Systems auf bis zu Kc = 3,91 ± 0,23 MPam1/2 und KIc = 3,70 ± 0,26 MPam1/2 an, wenn die Schicht mit Λ = 4 nm aufwächst, was eine Überschreitung der Werte für die jeweils zähere monolithische Schicht um 41,1 bzw. 19,7 % zur Folge hat. Die Ergebnisse werden, unter Zuhilfenahme weiterer Analysemethoden, wie beispielsweise die Röntgenstrukturanalyse (XRD), die energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDX) und die Weißlichtinterferometrie (WLI), kombiniert mit einer umfangreichen Literaturrecherche, diskutiert, um abschließend einen Einblick in die zugrundeliegenden Mechanismen und ein allgemeines Verständnis der Materialsysteme zu erhalten.