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Nano- und Mikrostrukturierung amorpher Kohlenstoffschichten

 
: Roch, Teja
: Lasagni, Andrés-Fabián; Cuniberti, Gianaurelio

Aachen: Shaker Verlag, 2013, VII, 148 pp.
Zugl.: Dresden, TU, Diss., 2013
Berichte aus der Fertigungstechnik
ISBN: 978-3-8440-2187-5
German
Dissertation
Fraunhofer IWS ()
Dünnschicht; Laser; Kohlenstoff; diamantähnlicher Kohlenstoff; dünne Schichten; Struktur; Laserstrahlung; Mikrostruktur; Werkstoff; Werkstoffe

Abstract
Die Nanostrukturierung und Mikrostrukturierung von tetraedrisch amorphen (ta-C) Kohlenstoffschichten wurde realisiert. Zur Erzeugung von Nanometer-Strukturen mit einer lateralen Auflösung < 10 nm stellt die STM-Strukturierung (Rastertunnelmikroskop) eine hervorragend geeignete Technik dar. Zur Strukturierung von ta-C war eine Spannung von ∼10 V und Ströme von wenigen ∼1 nA notwendig sind. Die Strukturhöhe zeigte keine Abhängigkeit vom Tunnelstrom (0,3 - 1 nA), die maximale Strukturhöhe war eine Funktion der angelegten Spannung, Die Strukturhöhe war eine Funktion der Strukturierungsdauer. Die beste Annäherung des Johnson Mehl Avrami und Komolgorov-Modells an die Messwerte zur Zeitabhängigkeit der Strukturhöhe ergab sich für einen Avrami-Koeffizienten von g = 0,5, anhand dessen sich der Strukturbildungsprozess als eindimensional, parabolisch und lokal sättigend charakterisieren ließ. Der Verlauf war anisotrop und folgte einer breiten Reaktionsratenverteilung. Eine Anwendung der STM-Strukturierung von ta-C kann die Datenspeicherung sein. Bezogen auf die Datendichte konnte gezeigt werden, dass Punktstrukturen mit Breiten von ∼5 nm erzielt werden können. Hiermit können effektive Datendichten von 3,3 Tbit in-2 erreicht werden. Kritisch an der Datenspeicherung mit dem STM sind die relativ langsamen Schreibgeschwindigkeiten und Auslesegeschwindigkeiten. Die hohe thermische Stabilität zusammen mit der Tatsache, dass ta-C-Schichten auch chemisch weitestgehend inert sind, prädestiniert diese Technik für Anwendungen in der Langzeit-Datenspeicherung. Bei der Laserstrukturierung mit UV-Nanosekunden-Laserpulsen wurden Untersuchungen zur Graphitisierung, Delamination und Ablation von Nanometer-ta-C gemacht. Bei niedrigen Laserfluenzen kommt es zur Graphitisierung des sp3-gebundenen Kohlenstoffes, mit der Folge einer Verringerung der Schichtdichte, Erhöhung der Schichtdicke, Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit und Erhöhung der Schichtabsorption. Wird die Laserfluenz erhöht, so kommt es zur lokalen Delamination und nano-Kristallisation der Schicht. Die Delaminationsschwelle steigt mit wachsender Schichtdicke an. In weiteren Versuchen wurde der Einfluss der direkten Laserinterferenzstrukturierung (DLIP) auf das tribologische Verhalten von ta-C-Schichten untersucht. Charakterisiert wurden sowohl graphitisierte Nanometer dicke ta-C-Schichten als auch lokal abgetragene Mikrometer dicke ta-C-Schichten. Bei den graphitisierten Schichten wurde die DLIP Strukturierungsperioden zwischen 4 µm und 250 nm variiert und der Reibungskoeffizient gemessen. Die niedrigsten Reibungskoeffizienten wurden für eine Periode von 4 nm gemessen. Verglichen zu einer unstrukturierten Probe konnte die Reibung um bis zu ∼43 % verringert werden. Bei den lokal mittels DLIP abgetragenen Mikrometer dicken Schichten wurde sowohl der Einfluss der Laserfluenz als auch der Strukturperiode untersucht. Es zeigte sich ein Optimum der Laserfluenz bezüglich des Reibungskoeffizienten bei 400 mJcm2. Niedrigere Laserfluenzen bedingen eine verstärkte Graphitisierung der Schicht.

: http://publica.fraunhofer.de/documents/N-360363.html