"Laserpulsabscheidung und Untersuchung von nanokristallinen Diamantschichten (n-D Schichten)"

Bearbeitung:
Betreuung:

Dipl.- Ing. (FH) Hagen Grüttner
Prof. Dr. rer. nat. Steffen Weißmantel

Diamant ist das härteste Material der Welt und somit für den Verschleißschutz mechanischer Werkzeuge und Bauteile hervorragend geeignet. Daher hielten diamantähnliche Schichten als Verschleißschutzschichten rasch Einzug in die Industrielle Praxis. Die Vorteile von Diamant- bzw. diamantähnlichen Schichten sind ihre extremen Eigenschaften, das heißt sie besitzen eine sehr hohe Härte bei gleichzeitig geringen Reibkoeffizienten. Letzteres führt dazu, dass neben dem Verschleißschutz auch die Energieeffizienz bei entsprechend beschichteten Werkzeugen gesteigert werden kann und somit zusätzlich Kosten eingespart werden können. Diamantähnliche Schichten (z.B. tetraedisch- amorph gebundener Kohlenstoff) finden auch auf vielen anderen Gebieten, wie beispielsweise der Mikroelektromechanik, der Mikrosystemtechnik oder der Biotechnologie Anwendung. In der Biotechnologie zeigen sich die Vorteile von Diamant- bzw. diamantähnlichen Schichten vor allem in Form von hervorragender Biokompatibilität und zellwachstumsfördernder bzw. – hemmender Eigenschaften [1,2].

Mit Untersuchungen zu Herstellungsmöglichkeiten von nanokristallinen Diamantschichten (n-D Schichten) wurde in den letzten Jahren begonnen. Die n-D- Schichtherstellung erfolgt bisher hauptsächlich mittels konventionellem Mikrowellen- CVD- Verfahren (MW–CVD). Nachteil dieses Verfahrens ist die relativ aufwändige Vorbehandlung der Substrate. Hierfür wird das Substrat außerhalb der Beschichtungsapperatur häufig mit einer Lösung aus Diamantpulver bearbeitet und nachfolgend in der Beschichtungskammer einem Plasma ausgesetzt. [3]. Weiterhin sind zur anschließenden Beschichtung Substrattemperaturen bis zu 910°C [3] notwendig um eine gute Schichthaftung zu erreichen. Die Schichtabscheidung mittels PLD (pulsed– laser– deposition ) bietet diesbezüglich einige Vorteile. Beim PLD– Verfahren ist beispielsweise die Vorbehandlung der Substrate mit Diamantpulver nicht nötig. Weiterhin liegt die erforderliche Substrattemperatur zur Erzeugung einer gut haftenden n–D Schicht bei maximal 550 °C [4,5] und somit weit unter der Substrattemperatur beim MWCVD– Verfahren. Die Abscheideraten beider genannter Verfahren sind zwar annähernd gleich, jedoch ist der Schichtanteil an nanokristallinen Diamanten beim PVD– Verfahren höher. Weiterhin können durch das PVD– Verfahren Schichten mit einer geringeren mittleren Rauhigkeit Ra erzeugt werden [4,5].


Teilprojektziele:

  • Herstellung partikulat– und spannungsfreier n–D Schichten mittels PLD
  • Schichtdicken bis zu mehreren µm
  • gute Schichthaftung
  • geringe Oberflächenrauhigkeiten
  • Untersuchung mechanischer und optischer Eigenschaften
  • Optimierung der Schichteigenschaften
  • Beschichtung von Werkzeugen und Einsatzerprobung
  • Abschätzung der Produktivität für den industriellen Einsatz von n–D Schichten

Quellen:

[1] Spindler, N., Dissertation, Universität Hamburg 2007
[2] Steinmüller, D., European Patent EP 1382669 (2004)
[3] N. Woehrl et.al., Diam. Relat. Mater. 16, (2007) S. 748–752
[4] T. Hara et.al., Diam. Relat. Mater. 13 (2004) S.679–683
[5] T. Hara et.al., Diam. Relat. Mater. 15 (2006) S.649–653

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Dipl.–Ing. (FH) Hagen Grüttner
Tel.:03727/58–1072
 03727/58–1395
E–Mail: hgruettn@htwm.de
Net: Nicht vorhanden

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