Nanokristalline y-Al2O3 Schichten, - Grundlegende Untersuchungen zu Synthese, Struktur und Zerspanungseigenschaften
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Der im ersten Antragszeitraum untersuchte monoenergetische Al+-Ionenstrahl [Ati09] wurde zur Abscheidung von Al2O3-Schichten mittels des Filtered Cathodic Arc Verfahrens genutzt [Sar10]. Die Synthese der Schichten mit definierten Ionenenergien ergab, dass Ionenenergien im Bereich von ≥ 40 eV die Bildung der thermodynamischen stabilen α-Al2O3 Phase begünstigen. Anhand von ab initiomolekulardynamischen Simulationen wurde die durch Al-Ionenbeschuss induzierten Änderungen in γ- Al2O3 und α-Al2O3 untersucht [Mus10]. Für 40 eV führte die verstärkte Diffusion entlang der γ-Al2O3 (001) Ebene zu einem bevorzugten Wachstum von α-Al2O3 (0001). Folglich kann die Phasenbildung, welche bei der Filtered Cathodic Arc - Abscheidung von Al2O3-Schichten [Sar10] beobachtete wurde, auf Grundlage der ab initio-molekulardynamischen Simulationen verstanden werden. Darüber hinaus wurde die Hochtemperaturbeständigkeit von γ-Al2O3 Schichten, welche mittels des Filtered Cathodic Arc-Verfahrens und chemischer Gasphasenabscheidung (CVD) auf Ti0.33Al0.67Nbeschichteten WC–Co-Wendeschneidplatten abgeschieden wurden, untersucht [Jia12]. Die Auslagerungsversuche ergaben, dass die mittels des Filtered Cathodic Arc-Verfahrens abgeschiedenen γ-Al2O3-Schichten im Vergleich zu den mittels chemischer Gasphasenabscheidung synthetisierten Schichten eine höhere γ- zu α-Al2O3 Umwandlungstemperatur aufweisen. Dieser Unterschied ist unter anderem auf die unterschiedliche Schichtmorphologie sowie auf die Diffusion von Cl bei der chemischen Gasphasenabscheidung zurückzuführen, welche die γ- zu α-Al2O3 Umwandlungstemperatur erniedrigt [Jia12]. Mit Hilfe von vergleichenden ab initio-Rechnungen wurde darüber hinaus die elektronische Struktur von γ-Al2O3 beschrieben [Jia10]. Die ab initio Berechnungen ergaben, dass die zugrunde gelegte tetragonale Struktur, welche auf der Veröffentlichung von Knaup et al. [Kna06] basiert, mit einer relativen Energiedifferenz von – 8meV/Atom gegenüber der verwendeten Spinell-Struktur [Gui01] energetisch günstiger erscheint. Weitere ab initio- Berechnungen, um die relative Stabilität von γ-Al2O3 in Bezug auf α-Al2O3 mit einem Dotierungselement-Anteil von 2,5 At.-% Si, Cr, Ti, Sc und Y zu untersuchen, ergaben, dass Si die γ- Al2O3-Phase stabilisiert, während Cr die Stabilität von α-Al2O3 erhöht [Jia10a]. Die Stabilisierung der γ- Al2O3-Phase durch Si-Dotierung beruht dabei auf der Bildung von kurzen und starken Si-O Bindungen, während eine Cr-Dotierung der α-Al2O3-Phase im Vergleich zur dotierten γ-Al2O3-Phase zu einer geringeren Bindungslängenzunahme und somit zu einer Stabilisierung der α-Al2O3-Phase führt. Fortführende ab initio Berechnungen zur Untersuchung des Einflusses von Si - und Y - Dotierungselementen auf die relative Stabilität zwischen γ-Al2O3 und α-Al2O3 in Abhängigkeit von der Dotierungskonzentration (0 - 5 At.-%) ergaben, dass sowohl Silizium wie auch Yttrium mit zunehmender Konzentration eine deutliche Stabilisierung von γ-Al2O3 gegenüber α-Al2O3 fördern. Im Fall von Si beruht die Stabilisierung gegenüber α-Al2O3 auf steifere und somit stärkere Si-O-Bindungen [Nah13]. Im Fall der Yttrium-Dotierung wirkt der Einbau des großen Dotierungselementes Yttrium in der dicht-gepackten α-Al2O3-Struktur im Vergleich zu der weniger dicht gepackten γ-Al2O3-Struktur energetisch ungünstiger und begünstigt somit die Stabilität der γ-Al2O3-Phase. Mittels des Filtered Cathodic Arc Verfahrens abgeschiedene reine γ-Al2O3 sowie γ-Al2O3 + Si/Y-Schichten wurden zur Untersuchung der thermischen Stabilität bei Temperaturen von 900 - 1300°C an Luft für eine Stunde ausgelagert. Die Dotierung mit unterschiedlichen Silizium-Konzentrationen führte im Auslagerungsversuch zu einer Erhöhung der γ→-Al2O3 Umwandlungstemperatur um 200°C – 300°C, bei Temperaturen >1300°C wurde zusätzlich die Bildu ng der Mullite-Phase beobachtet. Die Dotierung der γ-Al2O3 Dünnschichten mit unterschiedlichen Yttrium-Konzentrationen führte bei geringen Yttrium – Gehalten von 2 At.-% im Auslagerungsversuch zu einer Erhöhung der γ→-Al2O3 Umwandlungstemperatur um 100°C, bei Temperaturen >1 100°C wurde die Bildung der YAG-Phase beobachtet. Bei einem Yttrium-Anteil von > 2 At.-% wurde bereits während der Synthese nur die Bildung der YAG-Phase beobachtet, welche nach der Auslagerung als einzige Phase bestehen blieb. Schlussfolgernd kann die experimentell beobachtete Erhöhung der γ→-Al2O3 Umwandlungstemperatur der mit Si/Y–dotierten γ-Al2O3-Schichten auf Grundlage der durch die ab initio Berechnungen erzielten Ergebnisse [Jia10] verstanden werden und führt somit zu einer signifikanten Verbesserung der Stabilität dieser Schichten für die Hochtemperaturanwendung.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Ab initio study of effects of substitutional additives on the phase stability of γ-alumina, J. Phys.: Condens. Matter 22, (2010) 505502.
K. Jiang, D. Music, K. Sarakinos, and J. M. Schneider
- Ionized physical vapor deposited Al2O3 films: Does subplantation favor formation of α-Al2O3 ?, Phys. Status Solidi RRL 4, (2010) 154–156.
K. Sarakinos, D. Music, F. Nahif, K. Jiang, A. Braun, C. Zilkens, and J.M. Schneider
- Low temperature synthesis of α-Al2O3 films by high-power plasma-assisted chemical vapour deposition, J. Phys. D: Appl. Phys. 43, (2010) 325202.
K. Jiang, K. Sarakinos, S. Konstantinidis, and J. M. Schneider
- Ab initio molecular dynamics of Al irradiation-induced processes during Al2O3 growth, Appl. Phys. Lett. 98, (2011) 111908.
D. Music, F. Nahif, K. Sarakinos, N. Friederichsen, and J. M. Schneider
- Low temperature synthesis of α-Al2O3 films, AVS 57th International Symposium & Exhibition 2011.
K. Jiang, F. Nahif, K. Sarakinos, S. Konstantinidis D. Music, J.M. Schneider
- “Al2O3 Thin Films: Relation between Structural Evolution, Mechanical Properties, and Stability” , Ph. D. Thesis, 2011, RWTH Aachen University.
K. Jiang
- Improving the phase stability of metastable aluminum oxide thin films, AVS 58th International Symposium & Exhibition 2012.
F. Nahif, H. Bolvardi, D. Music, S. Mraz and J. M. Schneider
- Ab initio study of the effect of Si on the phase stability and electronic structure of γ – and α-Al2O3, J. Phys.: Condens. Matter 25, (2013) 125502.
F. Nahif, D. Music, S. Mraz, M. to Baben, J. M. Schneider
