Institut für Angewandte Materialien - Angewandte Werkstoffphysik (IAM-AWP)

Arbeitsgebiete / Forschung

PVD Design

Forschungsschwerpunkte liegen in der Entwicklung multifunktionaler Schichtwerkstoffe und ihrer Plasmaprozesstechnik für unterschiedliche Verfahren der physikalischen Gasphasenabscheidung.

Im Bereich metallischer Werkstoffe werden weichmagnetische (ferromagnetische) Dünnschichten beispielsweise für Anwendungen in der Sensortechnik entwickelt.

In reaktiven Viellagenschichten, wie zum Beispiel in Ni-Al-basierten Systemen, werden Mechanismen der selbstfortschreitenden Reaktionen untersucht. Eine Herausforderung ist die Frage, ob und wie sich solche exotherm verlaufenden Reaktionen durch eine vorab eingeprägte Nanostruktur ternärer Viellagenschichten beeinflussen und sogar steuern lassen hinsichtlich der Bildung neuer Phasen und Gefüge.

Im Bereich der neuen high entropy-Legierungen wird die Bildung neuer Phasen, deren thermische Stabilität und temperaturabhängige mechanische Eigenschaften in mehrelementigen Systemen untersucht. Die Synthese neuartiger refraktärer Schichten in Ta-Nb-V-W-Cr-Mo und anderen Systemen erfolgt dabei mittels experimenteller kombinatorischer Ansätze in der PVD-Abscheidung.

Im Bereich der keramischen Schichten werden komplexe Oxide, Karbide, Nitride und Boride der Übergangsmetalle untersucht. Viele dieser keramischen Werkstoffe erfordern hohe Temperaturen in der Synthese und weisen häufig eine hohe Sprödigkeit auf. Für Nitride, Karbide und Karbonitride lassen sich beispielsweise mechanische Eigenschaften durch eine Einstellung der Valenzelektronenanzahl und daraus resultierender Bindungszustände beeinflussen oder einstellen. Dieses Thema wird in neuen mehrelementigen Systemen bearbeitet, wobei sowohl einphasige feste Lösungen als auch mehrphasige Komposite betrachtet werden.

Boride der Übergangsmetalle zählen zu den klassischen Hochtemperaturwerkstoffen mit sehr großem Anwendungspotenzial. Durch die Verfügbarkeit neuester Pulvertechnologien stehen seit einiger Zeit Ausgangsmaterialien für die PVD-Beschichtung komplexer Boride zur Verfügung, wodurch sowohl neuartige Mischboride, wie zum Beispiel (Ti,Al)B2, und Komposite mit deutlich verbesserten Eigenschaften im Vergleich zu den reinen Boriden, entwickelt werden können.    

Oxide wie Al2O3 erfordern in der Regel sehr hohe Substrattemperaturen, um kristallin abgeschieden werden zu können. Hier liegt ein Forschungsschwerpunkt in der Entwicklung neuartiger mehrelementiger Oxide, die zum Beispiel in der erwünschten Korundstruktur bei deutlich reduzierten Temperaturen aufwachsen können. Ein typisches Beispiel hierzu ist die Synthese neuer fester Lösungen der Art (Al,Cr)2O3, die schon bei Temperaturen um 400°C kristallin abgeschieden werden können und die bei einer Wärmebehandlung im Vakuum bis 1300°C keine Entmischung zeigen.

Im Themenfeld innovativer Kompositschichten werden verschiedene Konzepte zur Werkstoffsynthese erarbeitet. Kohlenstoffbasierte nanostrukturierte Kompositschichten stellen zum Beispiel eine neue Generation verschleissfester, reibungsmindernder Schichten mit einstellbaren mechanischen und tribologischen Eigenschaften für Anwendungen im Maschinenbau und in der Verfahrenstechnik dar; sie sind insbesondere für innovative umweltfreundliche Technologien geeignet, da sie zu einer Reduktion oder Vermeidung von Schmiermitteln in vielen Einsatzgebieten beitragen können. Diese Werkstoffe weisen auch besondere optische Eigenschaften auf und sind für Applikationen in der Solarenergie von Interesse. Sie bestehen aus einer oder mehreren nanokristallinen Hartstoffphasen, die in eine Matrix aus amorphem Kohlenstoff (a-C oder a-C:X mit X = N, O, H, Si) eingelagert sind. Die Mikrostruktur und das Design dieser Materialien kann in einem weiten Bereich über die Volumenanteile der kristallinen und amorphen Phasen modifiziert werden.

Ein zentrales Element aller hier eingesetzten Beschichtungsverfahren stellt das Niederdruckplasma dar. Dabei werden sowohl Gleichstrom-, Wechselstrom- und Mikrowellenplasmen als auch gepulste Plasmen und Lichtbögen eingesetzt. Der Plasmazustand bestimmt letztlich die Art der einzelnen Spezies als auch deren Konzentration sowie die Ströme der einzelnen Spezies auf die das Plasma begrenzenden Wände. Dies sind insbesondere das Target und die Substrate. Deshalb ist die Charakterisierung des Plasmas und der Teilchenflüsse auf die das Plasma begrenzenden Wände von fundamentaler Bedeutung für das Verständnis und die Kontrolle des Schichtwachstums. Zum Einsatz kommen hier die optische Emissionsspektroskopie, elektrische Einzel- und Doppelsonden, elektrische Anlaufsonde, Faraday-Becher sowie die Massenspektroskopie.