Metastable cubic transition metal aluminium nitride and oxynitride coatings: Theoretical phase stability and defect structure predictions and verification by industrial-scale growth experiments

Beschreibung

In dieser Arbeit werden die Phasenstabilität und Defektstruktur von metastabilen nitridischen Dünnschichten für Verschleißschutzanwendungen theoretisch mittels Dichtefunktionaltheorie vorhergesagt und durch Wachstumsexperimente unter Verwendung von physikalischer Gasphasenabscheidung verifiziert. Im ersten Teil wird die von der chemischen Zusammensetzung abhängige Phasengrenze zwischen der metastabilen kubischen und hexagonalen Mischkristallphase von nanokristallinem TiAlN unter Berechnung der Beiträge von Oberflächen- und Volumenenergie zur Gesamtenergie vorhergesagt. Diese Phasengrenze ist durch die kritische Kristallitgröße definiert. Experimentelle Phasenbildungsdaten stimmen sehr gut mit der vorhergesagten Abhängigkeit der Phasenstabilität von der Kristallitgröße überein. Es ist offensichtlich, dass Phasenstabilitäts-Vorhersagen fehlerhaft sind, wenn der bisher in der Literatur vernachlässigte Beitrag der Oberflächenenergie zur Gesamtenergie nicht berücksichtigt wird. Im zweiten Teil wird der Einfluss des Sauerstoffeinbaus auf den spannungsfreien Gitterparameter und den Elastizitätsmodul von TiAlON untersucht. Der ansteigende O Gehalt in den Schichten geht mit einer Verringerung des Gleichgewichtvolumens einher. Berechnungen der Dichtefunktionaltheorie zeigen die damit verbundene Bildung von Leerstellen auf dem Metall-Untergitter, welche einen Ladungsausgleich ermöglichen. Im dritten und letzten Teil werden die Konsequenzen der reaktiven Abscheidung von TiAlON unter Verwendung von Substratrotation untersucht. Die Bildung von alternierenden O- und N-angereicherten Lagen wird mittels Atomsondentomographie identifziert und kann auf Grund der Substratrotation-induzierten Variation in Plasmadichte und dem schichtbildenden Teilchenfluss verstanden werden.

Autor*in

Marcus Hans

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Cathodic Arc Hard Coatings TiAlN

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