Diamond-like carbon and ceramic materials as protective coatings grown by pulsed laser deposition

Perera Mercado, Yibran Argenis; Poprawe, Reinhart

doi:973

Diamond-like carbon and ceramic materials as protective coatings grown by pulsed laser deposition

Perera Mercado, Yibran Argenis (Author)

2004

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Yibran Argenis Perera Mercado

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2004

UmfangIV, 100 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2003

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Poprawe, Reinhart (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2003-12-09

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-9737
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/62059/files/PereraMercado_Yibran.pdf

Einrichtungen

Fakultät für Mathematik, Informatik und Naturwissenschaften (100000)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Siliciumnitrid (Genormte SW) ; Impulslaserbeschichten (Genormte SW) ; Dünne Schicht (Genormte SW) ; Stoffeigenschaft (Genormte SW) ; Diamantähnlicher Kohlenstoff (Genormte SW) ; Aluminiumoxide (Genormte SW) ; Physik (frei) ; Zirkoniumdioxid (frei) ; Verbundwerkstoff (frei) ; Diamond-like carbon (frei) ; DLC (frei) ; Al2O3-ZrO2 (frei) ; SiNx (frei) ; Coatings (frei) ; Pulsed Laser Deposition (frei) ; PLD (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Auf dem Gebiet der Optik wird eine große Anzahl an Nitriden, Karbiden und Oxiden verwendet, insbesondere als harte Schichten, die gegen Verschleiß, Korrosion resistent sind und zur Lichtbeugung, wobei letztere besonders wichtig ist. Zusätzliche Anforderungen erfordern rigorosere Prozessparameter. Die Eigenschaften der mittels gepulster Laserstrahlung, Pulsed Laser Deposition (PLD), aufgetragenen Schichten werden durch die Prozessparameter bestimmt, durch die Zusammenstellung des PLD-Plasma, durch seinen Ionisierungsstatus, die Beschaffenheit der Substrate usw.. So können PLD-Verfahren dazu verwendet werden, das Haftvermögen bei qualitativ hochwertigen Schichten zu verstärken und bieten neue Anwendungen von harten optischen und thermischen Schichten, die für das Oberflächenwesen erforderlich sind. Ein erstes Ziel war es, Licht in bestimmte optische und mechanische Eigenschaften von glatten, gleichmäßgen und anhaftenden Keramikschichten (SiNx) zu bringen; diese wurden mit unterschiedlichem Prozessgasdruck und verschiedener Energiedichte auf diverse Substrate wie Glas, Silicon Wafer, Werkzeugstahl und Wolframkarbid (WC-10%Co) aufgetragen. Während des Auftragens der SiNx Schichten, wurde das r.f.-Plasma sowie das PLD-Plasma mittels Si3N4-target untersucht; dabei zeigte sich sehr gut, wie das neutrale Atom Si°, das Ion Si+, das neutrale Atom N° und das Ion N+ bei den Dissoziations- und Wiederbindungsprozessen im r.f.- und PLD-Plasma miteinander interagierten, so dass sie die physische und chemische Adsorption an den Oberflächen der Substrate und der nitrierten Schichten förderten und schließlich die dünne SiNx-Schicht entstehen ließen. Es wurden einige optische Eigenschaften der SiNx Schicht gemessen, wie z.B. der Brechungsindex, wobei sich zeigte, dass bei abnehmendem Prozessgasdruck der Brechungsindex anstieg. Außerdem wurde bei zunehmender Energiedichte eine allgemeine Steigerung des Brechungsindex festgestellt. Da das Si und seine Verbindungen als Keime für die Bildung von Diamant- und DLC-Schichten dienen wurde die SiNx-Schicht als Zwischenschicht verwendet, um die Haftung des harten DLC auf metallischen und Wolframkarbid- Substraten zu verbessern. Untersucht wurde der Einfluss der Substrate auf die Keimbildung und das Wachstum der DLC-Schicht, ebenso die Haftung dieser besonders harten Schicht auf verschiedenen Substraten. Gelungen ist die Beschichtung mit DLC-Schichten auf Substraten (Werkzeugstahl und WC-10%Co) mit hohem Co-Gehalt (Co ist in Zusammenhang mit sp3 als bindungshindernd bekannt); dabei wurden diese mittels Diamantscheibe und Diamantlösung poliert und anschließend geätzt, um so eine dünne amorphe CoO/CoSO4-Schicht zu erzielen, welche mittels eines r.f. Argonplasmas von der Oberfläche entfernt wird. Es wurden DLC-Schichten mit anwendungsgemäßen Eigenschaften (60% sp3) aufgetragen, jedoch eine schwache Haftung und die Schichten zeigten spontane Ablösungen von den Substraten. Bei Verwendung von SiNx -Schichten als Zwischenschicht verbesserte sich die Haftung der harten DLC-Schicht. Der Prozess bestand aus der Nitrierung der Oberflächen mittels eines r.f.- Stickstoffplasmas und dem anschließenden Auftrag von SiNx- Keramik mittels PLD-Plasma mit einem Stickstoffprozess gas, auf verschiedene Substrate wie Metalle, Keramik und Polymere. Schließlich wurden glatte, homogene und [fest]anhaftende DLC-Schichten auf Werkzeugstahl und WC-10%Co erzielt. Die chemischen, mittels Raman Spektroskopie dargestellten und mit EELS kalibrierten Verbindungen der DLC-Schichten haben gezeigt, dass der Gehalt der sp3-Verbindungen bei DLC-Schichten bei zunehmender Energiedichte und bei vermindertem Prozessgasdruck wächst. Mit zunehmender Anzahl von sp3-Verbindungen in den DLC-Schichten verbunden mit einer Veränderung der PLD Prozessparameter steigert sich auch die Härte und das Young Modul, was gleichzeitig eine direkte Verbesserung der mechanischen Eigenschaften der Schicht mit sich bringt. Die Haftung der DLC-Schichten mit einem hohen Gehalt an sp3 auf WC-10%Co wurde verbessert. Die Art der Defekte (Scratch test) bei DLC-Schichten auf WC-10%Co unterscheidet sich von denen, die entstehen, wenn DLC auf Werkzeugstahl aufgetragen wird, der wegen der plastischen Deformation des metallischen Substrats einen Haftungsdefekt aufweist. Auf Grund der großen Nachfrage an stabilen, lichtbeugenden und nicht abbaubaren Schichten stellt das Verständnis um die Kristallisierung der Al2O3-ZrO2 Schichten im Zusammenhang mit den Prozessparametern und des Wärmebehandlung ein allgemeines Ziel dar. In der Vergangenheit war die Beschichtung mit komplexen lichtbeugenden Materialien und verschiedenen Zusammensetzungen noch nicht möglich. Fortschritte bei dem Auftrag mittels gepulster Laserstrahlung haben die Herstellung sehr dünner Schichten ermöglicht, welche die Durchführung verschiedener Diffusions- und kinetischer Studien ermöglichen. Die glatten, homogenen und [fest] anhaftenden Schichten aus Aluminiumoxyd und Zirkonoxid wurden in einer Relation von 85:15 (Al2O3-ZrO2) bei einer Höchsttemperatur des Substrats von 800°C ohne irgendeinen Einfluss auf die Kristallisierung der Al2O3-ZrO2 auf Substrate wie silicon wafer, rostfreien Stahl und CMSX-2 aufgetragen. Eine homogene Beschichtung von amorphem Verbundmaterial kann durch die Steigerung von kinetischer Energie während der Wärmebehandlung in eine Schicht mit größerer kristalliner Stöchiometrie umgewandelt werden. Nach der Wärmebehandlung weisen die Verbunschichten einen gesteigerten Anteil an kristallinem a-Aluminiumoxyd und Kubischem Zirkonoxid auf, bei reduziertem Sauerstoffprozessgas und mit gesteigerter Laserleistung, verbunden mit der daraus folgenden Änderung der Schichtdicke bei gleichem Substratabstand; Dies wird durch die Ausdehnung des Plasma und die vermehrte Abnahme der Partikel aufgrund des Transfers der Energie in das laserinduzierte Plasma verursacht.

A rather large number of nitride, carbide, and oxide thin films are used as hard and wear-resistant coatings, for optical, corrosive, and refractory applications that are of crucial importance. Additional requirements place even more stringent conditions on the deposition processes. The properties of coatings deposited by pulsed laser deposition are determined by the deposition parameters, the composition of the PLD plasma and its ionization states, the substrate conditions, etc.. In this way, the advantageous properties of PLD can be used with the general aim to increase the adhesion of the high quality PLD thin films to offer new applications where the hard, optical, and/or thermal coatings are required to contribute to surface engineering. A first objective has been to shine some light on the optical and mechanical properties of smooth, homogeneous, and adherent SiNx ceramic coatings which have been deposited on different substrates such as glass, silicon wafer, tool steels, and tungsten carbide (WC-10%Co) at various processing gas pressures and different laser fluences. The r.f. plasma and the PLD-plasma using Si3N4 target have been analyzed during the deposition of SiNx coatings revealing as well as Si° atoms, Si+ ions, No atoms, and N+ ions with these species working actively in the dissociative recombination processes in the nitrogen r.f. and PLD plasmas to promote the physical and chemical adsorption on the substrate surfaces and on the nitridation layer to grow finally the SiNx thin films. Some optical properties measured from the SiNx coating as the refractive index show an increase as the nitrogen processing gas pressure decreases. A general increase in the refractive index is detected as the laser fluence is increasing. Considering Si and its compounds as nucleates for diamond and DLC coatings, SiNx was used as buffer layer to improve the adherence of DLC hard coatings on metallic and tungsten carbide substrates. The influence of the substrate materials on the nucleation and growth of DLC coatings and the adherence of this superhard coating to different substrates was investigated. The deposition of DLC coatings on substrates (tool steels and WC-10%Co) with high Co-content (known as an anti-nucleate element for the sp3-bond) has been achieved by using a polishing process with diamond disk and diamond solution, and the subsequent chemical etching to produce an amorphous layer of CoO/CoSO4 which is removed from the surface by argon r.f. plasma. The DLC coatings with an application-like mechanical properties are deposited (60% sp3-content), but a poor adherence is obtained and the coatings showing spontaneous delamination from the substrates. By using SiNx coatings as buffer layer the adherence of the hard DLC films is improved. The process consisted in the nitridation of the surface by r.f. nitrogen plasma and a subsequent deposition by PLD of a SiNx ceramic in nitrogen processing gas pressure directed towards different substrates such as metals, ceramics, and polymers. Finally smooth, homogeneous, and adherent DLC coatings on tool steels and on WC-10%Co substrates are obtained. The chemical bonds of the DLC coatings characterized from Raman spectra and calibrated by EELS, indicate that the sp3-content in the DLC films increases with increasing laser fluence, and decreasing processing gas pressure. By increasing the number of sp3-bonds in the DLC coatings with the change in the deposition parameters by PLD, the hardness and Young's modulus increase with a direct improvement in the mechanical properties. The adhesion of DLC coatings with a large sp3-content deposited on WC-10%Co has been improved. The failure mode is quite different to the DLC coatings on tool steels, which show an adhesive failure due to the plastic deformation of the metallic substrates. Based on the actual demands for stable and nondegradeable refractory coatings a more general goal is to understand the crystallization of Al2O3-ZrO2 composite coatings associated to the PLD deposition parameters and annealing. In the past the deposition of complex refractory materials and diverse composites was not possible until recently. Advances in the pulsed laser deposition technique have now made it possible to produce such special thin films, which enable a variety of diffusion and other kinetic studies to be carried out. The smooth, homogeneous and adherent alumina-zirconia composite coatings in a relation of 85:15 (Al2O3-ZrO2) are deposited on silicon wafer, stainless steels, and CMSX-2 substrates with a substrate temperatures up to 800°C playing no role in the crystallization of the composite Al2O3-ZrO2 coatings. A homogeneous deposition of amorphous composite materials can be transformed to more stoichiometric crystalline coatings by increasing the kinetic energy supply during the annealing. After annealing the composite coatings exhibit a higher level of crystallization of a-alumina and cubic-zirconia with decreasing oxygen processing gas pressure, and with increasing the laser fluence, associated to the subsequent change of the coating thickness at constant target-substrate-distance, due to the expansion of the plasma plume and the removal of more particles with the transfer of energy into the laser-induced plasma.

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