Synthesis and characterization of B1-AlN containing superlattice structures

Aufgrund ihrer herausragenden mechanischen Eigenschaften werden Nitrid-Superlattice-Beschichtungen (SL) industriell genutzt. Beispielsweise werden sie in der Zerspanungsindustrie als Schutz und zur Verbesserung der Performance von Schneidwerkzeugen aufgebracht. Diese Masterarbeit beschäftigt sich mit der Herstellung und Charakterisierung von Chromnitrid (CrN) / Aluminiumnitrid (AlN) SL-Schichten, in denen AlN in seiner metastabilen B1-Struktur stabilisiert wurde. Die Herstellung erfolgte mittels Magnetronsputtern in einer Beschichtungsanlage, welche mit computergesteuerten, mechanischen Shuttern ausgestattet ist. Durch die Verwendung verschiedener Substrate wurden polykristalline SLs (Si (100) Substrate) und einkristalline SLs (MgO (100) Substrate) hergestellt. Die Struktureigenschaften wurden mittels Röntgendiffraktometrie und die mechanischen Eigenschaften mittels Nanoindentation ermittelt. Die gemessene Härte von SLs mit einer 4 nm CrN / 2 nm AlN Architektur beträgt 28.2 ±0.7 GPa auf Si (100) -Substraten und 33.3 ±1.3 GPa auf MgO (100) -Substraten. Damit konnte auf beiden Substraten eine Härtesteigerung von 6.5 GPa gegenüber der zugehörigen monolithischen Chromnitrid-Schicht erreicht werden. Auf 4 nm CrN / 5 nm AlN SLs, welche B3-AlN enthalten, liegt die gemessene Härte mit 24.8 ±1.0 und 27.8 ±1.0 GPa auf Si (100) und MgO (100) Substraten unter der Härte jener Schichten, in welchen AlN vollständig in seiner B1-Struktur stabilisiert wurde. Eine Diskussion über die Härtesteigerung in SLs, sowie über den Einfluss von Grenzflächen zwischen den Layer-Materialien und von säulenförmigen Korngrenzen auf die mechanischen Eigenschaften runden diese Masterarbeit ab.