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A. Tymoszuk:
"Einfluss der Superlattice-Struktur auf die mechanischen Eigenschaften dünner Übergangsmetall-Diborid-Schichten";
Supervisor: H. Riedl, R Hahn; E308, 2021; final examination: 2021-03-24.

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.

Superlattice Strukturen, Bruchzähigkeit

Project Head Helmut Riedl:
CDL-SEC