dc.description.abstract
Die steigenden Anspruche an die Leistung schutzender Dünnschichten motiviert die Entwicklung neuer Materialien. Eine relativ junge Materialklasse stellt die Familie der Hoch-Entropie Keramiken dar, die durch eine nahezu equimolare feste Losung von 5 oder mehr Metallen auf dem Metalluntergitter in Keramiken wie Boriden, Carbiden, Nitriden, oder Oxiden, charakterisiert sind. Wegen guter mechanischer und thermischer Eigenschaften sind diese Materialien attraktiv für die Entwicklung dünner Schichten. Die große Herausforderung in diesem Gebiet ist die Entdeckung optimaler Zusammensetzungen, da durch die enorme Anzahl möglicher Elementkombinationen diese durch Experimente nicht in einer annehmbaren Zeit systematisch erforscht werden konnen. Stattdessen bieten Simulationen eine gute Richtungsweisung fur experimentelle Untersuchungen. Dieser zweigleisige Ansatz ist auch die Grundlage dieser Arbeit mit Dichtefunktional-Theorie (DFT) Rechnungen as Werkzeug, um verschiedene Materialeigenschaften zu erforschen und zu verstehen, und Schichtherstellung mit Magnetron-sputtering um reale Schichten zu untersuchen. Eine experimentelle Studie von (Al,Cr,Nb,Ta,Ti)N-Dünnschichten zeigt großes Potential fur Addition von Si, um die Schichten zu verbessern. Der Si-Einbau führt zu hoherer Härte und geringerem E-Modul durch Kornverfeinerung, verbessert the Phasenstabilität im Vakuum, und verbessert die Oxidationsbeständigkeit bei 850 °C enorm, indem es die gebildete Oxidschicht verdichtet. Dieses Oxid ist eine einphasige feste Lösung in Rutil-Struktur trotz der Gegenwart von Al, und ist bei hohen Temperaturen stabilisiert durch die Konfigurationsentropie, wie mit DFT berechnet wurde. Der Einfluss der Sputtergaszusammensetzung auf die Schichteigenschaften wurde im System (Al,Mo,Ta,V,W)N untersucht. Zwei Nitridschichten mit verschiedenen N-Leerstellenkonzentrationen und eine Oxynitridschicht wurden abgeschieden. Dabei zeigten sich sehr verschiedene Mikrostrukturen und Texturen, welche sich auch in der Härte wiederspiegeln. Vor allem die N-arme Schicht zeigt eine hohe Härte und gute Phasenstabilität. Die Oxynitrid-Schicht besitzt auch eine hohe Härte im abgeschiedenen Zustand, aber beim Vakuumglühen reißt die Schicht auf durch Bildung binärer Oxidphasen mit großen spezischen Volumina, was zu fast vollständiger Oxidation führt. Der Einbau von Bor in ein Nitrid wurde in (Hf,Ta,Ti,V,Zr)-B-N untersucht. DFT Rechnungen zeigen eine starke Präferenz für die NaCl-Struktur mit guten mechanischen Eigenschaften. Reaktives sputtern von solchen Metallbornitrid Schichten führt zu einem Phasengemisch mit amorphem BN und geringer Härte,aber nicht-reaktives sputtern führt zu einer einphasigen, flächenzentriert kubischen Schicht mit bis zu 46 GPa Härte und thermischer Stabilität bis zu 1200 °C. Das zeigt das große Potential von gemischten Nichtmetall Untergittern in keramischen Hoch-Entropie Materialien. Die Bedeutung der Konfigurationsentropie auf die Phasenstabilität von Hoch-Entropie Materialien wird oft behauptet, wurde aber noch nie quantifiziert. In einer Hochdurchsatz DFT Studie wurde das Gegenspiel von enthalpischen und entropischen Beiträgen auf die Phasenstabilität von 126 Kombinationen von equimolaren Al-enthaltenden Hoch-Entropie-Untergitter-Nitriden untersucht. Alle Zusammensetzungen sind metastabil mit 0.10-0.27 eV/at Enthalpie-getrieber Triebkraft zur Entmischung, unter anderem verursacht durch Bildung von AlN in Wurtzit-Struktur. Die Entropiestabilisierung bei 1073K beträgt nur ≈-0.06 eV/at, zu wenig, um die Enthalpie-getriebene Zersetzung aufzuhalten. Stattdessen führt Verzerrungsenergie, verursacht durch die großen Volumenunterschiede zwischen Edukt- und Produktphasen, zur Stabilisierung von 22 Zusammensetzungen. Die Berechnungen zeigen gute Übereinstimmung mit Röntgendiffraktion und Atomsondentomographie von vier geglühten Nitridschichten. Diese Studie zeigt, dass Kongurationsentropie nicht generell zur Stabilisierung von keramischen Hoch-Entropie-Materialien führt, aber Verzerrungsenergien offenbaren eine alternative Route für Materialdesign, die bisher noch nicht für Hoch-Entropie Materialien verwendet wurde.
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