Lasagni, Andrés-FabiánCuniberti, GianaurelioRoch, TejaTejaRoch2022-03-072022-03-072013https://publica.fraunhofer.de/handle/publica/280056Die 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 &#8764;10 V und Ströme von wenigen &#8764;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 &#8764;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 &#8764;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.1 EINLEITUNG 1 2 STAND DER TECHNIK 3 2.1 Kohlenstoff 3 2.1.1 Amorpher Kohlenstoff 4 2.1.2 Abscheideverfahren und Schichtwachstum amorpher Kohlenstoffschichten 6 2.2 Strukturierungstechniken amorpher Kohlenstoffschichten 9 2.2.1 Kinetik der Phasenumwandlung amorpher Kohlenstoffschichten 10 2.2.2 Wechselwirkung elektromagnetischer Strahlung mit Materie 11 2.2.3 Thermische Simulation 12 2.2.4 Strukturierung durch elektrische Impulse 14 2.2.5 Laserstrukturierung von DLC 16 2.2.6 Laserinterferenz-Strukturierung von Dünnschichten 17 2.3 Grundlagen der Tribologie 20 2.3.1 Reibung zwischen Festkörpern 21 2.3.2 Verschleiß von Festkörpern 23 2.3.3 Tribologie diamantartiger Kohlenstoffschichten 24 2.3.4 Topographie-Design bei trockener Reibung 26 2.3.5 Topographie-Design bei geschmierten Systemen 30 3 EXPERIMENTELLER AUFBAU UND MESSMETHODEN 32 3.1 Schichtabscheidung 32 3.1.1 Gefilterter Hochstrombogen 32 3.1.2 Laser Arc 33 3.2 Strukturierungs- und Analysetechniken 34 3.2.1 Rastertunnelmikroskopie 34 3.2.2 STM-Messsonden-Präparation 36 3.2.3 Atomkraftmikroskopie 37 3.2.4 Laserstrukturierung 38 3.2.5 Strukturierung mittels Laserinterferenz 39 3.2.6 Laserinduzierte akustische Oberflächenwellen 41 3.2.7 Vermessung der tribologischen Eigenschaften 41 3.2.8 Ramanspektroskopie 42 4 ERGEBNISSE UND DISKUSSION 44 4.1 Strukturierung von ta-C mittels Rastersondenmikroskopie 44 4.1.1 Strukturierung mittels Atomkraftmikroskopie 44 4.1.2 Rastertunnelmikroskopie von ta-C 45 4.1.3 STM-Strukturierung von ta-C-Schichten auf unterschiedlichen Substraten 48 4.1.4 Charakterisierung der STM-Strukturierung 51 4.1.5 Variation der STM-Spannung 54 4.1.6 Simulation des elektrostatischen Potentials in ta-C 56 4.1.7 Variation des Tunnelstroms und der Strukturierungsdauer 59 4.1.8 Schreiben von Bitmaps 63 4.1.9 Evaluation strukturbildender Mechanismen 65 4.2 UV-Laserstrukturierung von amorphen Kohlenstoffschichten 67 4.2.1 Charakterisierung von laserstrukturierten Nanometer dicken ta-C-Schichten 67 4.2.2 Charakterisierung von laserstrukturierten Mikrometer dicken ta-C-Schichten 71 4.2.3 Laserstrukturierung von Nanometer dicken ta-C-Schichten 73 4.2.4 Laserstrukturierung von Mikrometer dicken ta-C-Schichten 81 4.2.5 Direkte Laserinterferenz-Strukturierung an Nanometer dicken Kohlenstoffschichten 82 4.2.6 Thermische Simulation der DLIP in Nanometer dickem a-C 89 4.2.7 DLIP von Mikrometer dickem ta-C 94 4.2.8 Einfluss von Oberflächenpartikeln und Substraten auf DLIP-Strukturen 98 4.3 Tribologische Eigenschaften strukturierter Kohlenstoffschichten 103 4.3.1 Tribologie strukturierter Nanometer dicker ta-C-Schichten 103 4.3.2 Tribologie strukturierter Mikrometer dicker ta-C-Schichten 106 4.4 Weiterentwicklung der Interferenz-Technologie 113 4.4.1 DLIP von ta-C mit einem Prisma 113 4.4.2 Synchrone Strukturierung mit zwei Wellenlängen 119 5 ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK 123deDünnschichtLaserKohlenstoffdiamantähnlicher Kohlenstoffdünne SchichtenStrukturLaserstrahlungMikrostrukturWerkstoffWerkstoffe621671doctoral thesis